中科院理化所劉靜/張旭東團隊Cell Press Blue:?系統構畫液態金屬太空科技全景，深度剖析極限技術破解之道

“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”兩千多年前， 大詩人屈原以《天問》向宇宙本源發出170余個詰問，將華夏文明對日月星辰的求索刻入血脈。千年后，明代火器師萬戶綁箭于身，借火箭反推力沖向蒼穹——雖以生命為代價，卻為人類飛天實踐留下了東方的第一道印記。數千年來，這份對浩瀚星空的向往從未停歇，如今正化為世界航天事業的堅實步伐。

每一次邁向深空的嘗試，本質上都是對材料和技術極限的突破。在眾多新興前沿中，液態金屬正成為破解太空科技瓶頸、拓展宇航探索邊界的一把鑰匙。近日，中國科學院理化技術研究所液態金屬與低溫生物醫學中心團隊應Cell出版社旗艦期刊《Cell Press Blue》之邀，發表了一篇題為 “Liquid Metals for the Booming of Space Explorations”的前瞻性評述，系統構畫了液態金屬在太空領域的科學與技術全景，深度解析其從本征屬性到新興功能面臨的機遇與挑戰；并提出利用太空微重力環境作為天然實驗場探索液態金屬超常規界面物理化學行為的系列設想；最后指出：液態金屬不僅是適配航天場景的通用型功能材料，更是賦能未來太空科技繁榮發展的變革性載體。論文第一作者為研究生史佳豪，通訊作者為劉靜研究員與張旭東研究員。

從地心文明到星際文明

當前，在人類對宇宙的永恒好奇與地外資源開發的雙重迫切需求驅動下，航天活動正迎來從地心文明向星際文明跨越的歷史性節點（圖1A）。自斯普特尼克一號衛星升空以來，七十余年間，人類的足跡已穩步拓展至近地軌道、空間站，各種駐留活動及月球、火星探測等也日趨頻繁（圖1B）。如今，近地空間技術已漸趨成熟，呈現出商業化、多任務兼容、成本持續下降的趨勢——太空數據中心、太空互聯網、太空旅游、在軌太陽能電站等新興場景，正成為這一跨越的鮮明印證。

與之相對，深空探測仍主要處于國家力量主導的研發攻堅階段，核心聚焦于載人登月、太陽系行星探測以及空間望遠鏡建設等幾大方向。當前，商業航天的規模化發展與深空探測的深層突破，正構成航天技術迭代的兩大核心驅動力。隨著航天場景的不斷拓展，新的技術挑戰也日益涌現：動力推進、輻射防護、超遠距離通信、醫療保障、在軌維修等關鍵環節，無不面臨近地環境與深空極端條件的雙重考驗。無論是近地軌道的商業化開發，還是以月球基地、火星探測為代表的深空探索，都在朝著高效率、長壽命的方向穩步前行。這無疑對航天器材料體系提出了前所未有的苛刻要求，即必須具備極端溫度適應性、高運行可靠性、極致輕量化與智能自修復能力。

要突破傳統材料的性能邊界，既需研發適配深空環境的新材料體系，更要用好太空這個獨一無二的極端物理實驗室——微重力、高真空、大溫差等極端條件，以期突破重力束縛、發現新材料、新現象、新規律。

圖1 太空探索中的液態金屬科學與應用技術全景

太空環境的極端性及液態金屬的獨特優勢

太陽系內的物理環境，從中心恒星到系內天體，呈現出梯度化的極端特征：極熱與極寒并存、溫度跨度巨大、普遍處于低壓乃至超高真空狀態（圖1A）。太陽表面溫度高達5778 K，重力加速度達274 m/s2，環境近乎絕對真空。而液態金屬（如鎵基、鉍基合金）的沸點范圍在900–2700 K之間，足以耐受此類極端高溫；同時，其室溫下極低的飽和蒸氣壓，能有效避免真空環境中的蒸發損耗，為空間核動力系統的穩定運行奠定了材料基礎。

水星晝夜溫差達368 K，極低的大氣壓與無氧真空環境，恰好消除了液態金屬氧化降解的核心顧慮——無需額外抗氧化涂層。配合其寬溫域流動性，液態金屬可支撐航天器熱管理系統在極端晝夜循環中穩定工作。金星表面溫度高達737 K，壓力達9.2×10? Pa，對航天器結構與材料提出嚴酷考驗。液態金屬的流體特性可完美適配高壓環境下的形變需求，成為著陸器密封部件與導熱介質的理想選擇。

即便在人類深空探索的核心目標——月球與火星上，液態金屬也展現出無可替代的優勢。月球環境具有高真空、100–390 K晝夜溫差、無氧大氣；火星溫度范圍為134–293 K，同樣處于低壓無氧條件。在此類環境中，液態金屬無需額外抗氧化結構。相比傳統流體，其大表面張力可有效防止回路泄漏，低熔點特性保障低溫下的流動性，無氧環境則從根本上避免氧化雜質堵塞回路的風險。這類材料既可用于火星車土壤分析儀的對流冷卻，也可與相變材料結合，為月球基地提供高效熱能儲存方案。

與傳統流體相比，液態金屬的多功能物理化學特性與太空環境的極端要求形成了完美對應。其低熔點、高沸點、優異的物理性能與熱力學穩定性，使其成為高效傳熱介質的首選。在微重力環境下，液態金屬的行為由高表面張力主導而非重力——地面自由落體實驗已證實其可自發形成球形構型，具備穩定的界面動力學特性，這也是在軌流體管理的核心前提。這些特性，配合其優異的可電離性，為場發射電推進系統提供了超越傳統化學途徑的極限的可能。而液態金屬固有的金屬屬性，更使其相比有機流體形成代際優勢：對外場的靈敏響應能力可實現自適應電磁屏蔽；本征流動性賦予電子器件自愈合能力，顯著提升長期太空任務的運行可靠性。

除工程應用外，液態金屬在前沿天體物理探索中也展現出極為重要的價值。其高密度、強導電性與可調流體動力學行為的獨特組合，使其成為下一代引力波探測器、黑洞等極端環境實驗平臺的理想候選材料。這份價值還延伸至地球物理學領域：地球液態金屬外核驅動著整個地磁場，而對液態金屬的實驗室研究，為人類理解磁流體動力學原理提供了難得的實驗途徑——這一理論框架，正是連接天體物理等離子體與地球電機的核心紐帶。可以說，液態金屬早已超越功能材料的范疇，成為揭示行星演化與宇宙現象底層機制不可或缺的科研工具。

液態金屬太空科技范疇

盡管液態金屬在地面場景已取得豐富的科學發現與規模化應用，其在太空領域的潛力遠未被充分挖掘。早在20世紀80年代，液態金屬（以水銀為代表）就已被用作空間核動力系統的傳熱流體，但時至今日，其在航天領域的更多應用場景仍處于待開發階段。作為一大類典型的多功能材料，液態金屬（如安全可靠的鎵基、鉍基合金等）有望實現航空航天領域的全場景覆蓋，囊括空間能源系統、推進技術、熱管理、電子學、光學、機器人技術、生命保障系統等眾多核心方向。而太空的極端環境——微重力、真空、劇烈溫變等——本身就是研究液態金屬界面現象的絕佳天然實驗室，有望解鎖更多新奇的科學現象與規律，進一步深化人類對這類材料的基礎認知與工程應用能力。

液態金屬集高導電/導熱性、優異流動性、極低飽和蒸氣壓、大表面張力及自愈合性于一身，完美契合了空間探索對材料“極端環境適配、智能場響應、長周期自主可靠”的核心需求。此篇前瞻性評述系統地從空間能源、深空推進、熱管理、柔性電子、可重構機器人、在軌制造、生命支持及空間光學八大前沿領域展開全景式展望（圖2），完整勾勒了液態金屬在航天領域的發展方向與應用潛力。與此同時，文章特別闡釋了微重力環境作為揭示液態金屬界面現象本質的天然實驗室的獨特價值——相關研究不僅將有力推動流體力學、界面化學等基礎學科的發展，更有望為微重力下多場耦合理論的構建提供關鍵支撐。

圖2 液態金屬空間科技領域及關鍵應用場景

液態金屬空間能源

從永久性月球基地建設到跨行星深空探測，現代空間任務對功率密度的嚴苛要求，已遠超傳統化學能與太陽能系統的性能極限。液態金屬能源技術憑借其高導熱性、超寬工作溫區以及與無振動電磁泵的優異兼容性，為這一行業痛點提供了高效解決方案，如空間能量捕獲、光伏光熱發電、遠程電力遞送等。

在太陽能供應高度間歇的場景中——如月球永久陰影區、火星前哨站——核能成為深空任務不可或缺的核心能源。液態金屬冷卻的核反應堆，相比傳統水冷系統具備獨一無二的優勢：冷卻劑同時具有高沸點與非慢化中子特性，既能讓反應堆在常壓條件下運行，大幅提升固有安全性，又能提高燃料利用率，并同步實現核廢物嬗變。即便是面向未來深空推進所需的聚變反應堆，其面臨的極端高熱通量挑戰，也可通過液態金屬毛細多孔系統得到解決——為聚變反應堆偏濾器靶板提供自修復解決方案。

液態金屬深空推進

解決了深空任務的能源供給，航天器的星際遠航同樣離不開精準高效的推進系統。液態金屬為深空推進技術的迭代開辟了全新路徑。場發射電推進系統是一類兼具低推力、高調節精度、卓越效率與高比沖的推進器，尤其適用于微納衛星的超高精度姿態控制、編隊飛行與大氣阻力補償等場景。在服役過程中，加熱后的液態金屬推進劑經毛細作用沿精細表面通道持續輸送至發射極尖端，配合提取極與發射極之間的高壓電場，即可實現穩定、精準的推進控制，完美適配深空探測中精細化的軌道調整需求。

液態金屬空間熱管理

航天器在軌運行的全周期中，始終置身于極端復雜的熱環境。整個太陽系內，航天器表面溫度跨度可達72 K至737 K（圖3A），這對熱管理系統提出了極致嚴苛的要求，也是保障星載敏感載荷安全運行的核心前提。

在高真空的太空環境中，自然對流換熱可忽略不計，熱量只能通過傳導或流體輸運至散熱器，最終以熱輻射形式排散。傳統導熱界面材料（如硅脂）存在真空放氣污染光學元件、空間輻照下性能退化等固有缺陷；經典對流冷卻工質也面臨溫域適配性不足、低溫流動性差等挑戰。而液態金屬憑借超低飽和蒸氣壓與本征高導熱性，成為該場景下的理想替代品。

高導熱性、本征流動性與極端環境穩定性的結合，使液態金屬成為空間熱控領域不可或缺的核心賦能技術。它既能承受發射階段的劇烈振動沖擊，也能耐受再入過程中的嚴酷氣動加熱，為下一代空間基礎設施的長周期可靠運行提供核心支撐。

圖3 液態金屬太空熱管理應用場景及典型技術路徑

液態金屬空間電子學

空間電子設備在軌運行，始終面臨劇烈熱循環、高能宇宙射線與太陽風強粒子輻照的雙重考驗。傳統剛性器件中，不同材料間的熱膨脹失配會引發應力疲勞，最終導致焊點分層、器件失效；半導體元件也易受高能粒子轟擊，產生晶格缺陷，縮短載流子壽命，造成性能持續衰退。

液態金屬優秀的導電性與本征流體應變適應性，為這一行業痛點提供了變革性解決方案。基于液態金屬構建的電路，既能承受極端機械變形，又可自主修復輻照誘導的缺陷——即便在傳統剛性器件完全失效的極端條件下，仍能保持穩定的電氣性能，為空間電子設備的長壽命運行開辟了全新路徑。

液態金屬太空機器與先進制造

月球基地建設、行星探測等深空任務，亟需適配復雜地形、可執行精細化在軌作業的機器人系統，以及輕量化、低后勤成本的在軌制造能力。傳統剛性機械裝備與地面制造體系，難以滿足深空場景對柔順性、環境適應性與按需制造的核心需求。

基于液態金屬的軟體機器人技術，憑借相變剛度可調、多場驅動響應等核心特性，可實現抓取、移動、多模態運動等復雜功能，適配地外天體樣本采集、次表層探測等多元場景（圖4A-D）。其配套的液態金屬增材制造技術，可突破表面張力限制，實現高精度圖案化與結構制備，為在軌電子器件、結構件的按需打印提供核心支撐，更有望依托地外原位資源完成制造（圖4E-G）。

此外，太空微重力環境進一步賦予液態金屬獨特優勢——可實現無缺陷單晶半導體、超大孔徑液態金屬鏡面望遠鏡的原位制備，為空間高端材料制造與大型觀測設施建設開辟了新路徑。

圖4 液態金屬柔性可變形機器及太空增材制造

液態金屬空間生命保障系統

生命保障系統是宇航員在軌與深空探測任務中的核心安全屏障。長期在軌任務面臨宇宙輻照、密閉環境微生物滋生、地面醫療支持缺失等多重挑戰，傳統宇航服與生命保障裝備難以兼顧輕量化、柔性適配與多功能集成的核心需求。

液態金屬可制備為兼具金屬導電性與流體柔順性的柔性功能材料，完美適配空間生命保障的全場景需求：其制備的柔性導電纖維可實現高效電磁屏蔽，為下一代智能宇航服提供全新概念的舒適輕質化輻射防護方案（圖5A）；配套的抗菌涂層可實現密閉環境長效抑菌；多品類液態金屬柔性傳感器可完成宇航員生理參數、宇航服環境的全維度實時監測（圖5B-E）。

同時，液態金屬可適配深空場景下的自主醫療需求，應用于在軌醫學成像造影、腫瘤靶向治療、骨折應急固定、創傷護理等多元場景，為無地面支持的深空任務提供全鏈條生命健康保障（圖5F-K）。

圖 5 液態金屬太空生命支持技術

太空微重力下未解的液態金屬基礎科學謎題

如果說工程應用是液態金屬賦能太空探索的落地場景，那么微重力環境下的基礎科學研究，便是支撐其技術迭代的底層核心。在地面環境中，液態金屬已展現出由表面張力主導的豐富界面行為，但重力始終在液滴沉降、粘附與對流過程中占據主導——不僅掩蓋了界面行為的內在機制，也限制了其動態特性的完整呈現。例如，鎵基液滴在重力作用下會自發鋪展粘附，難以觀測到其本征的界面形狀轉變（圖6A）。而太空微重力環境，為消除重力干擾、揭示液態金屬本征物理化學規律，提供了地面無法復刻的理想實驗平臺。

圖6 微重力下可能出現的液態金屬超常規界面行為

當重力不再是流體運動的主導力，液態金屬的行為將完全由表面張力及其與電、磁、熱、聲、化學等外場的耦合作用決定。這種力的解耦，使得重構地面環境中受限制的界面行為成為可能：自驅動過程更高效，變形演化更對稱，界面動力學穩定性顯著提升。最典型的潛在例子是，可在無基底限制的條件下實現完全三維的電潤濕操控（圖6B）。同時，微重力環境還會強化馬蘭戈尼對流、磁流體動力學等地面被掩蓋的效應，有望解鎖全新的界面模式與動態狀態，開啟表面驅動的液態金屬研究新范式。

微重力環境也為液態金屬相關基礎理論的突破提供了核心支撐。地面環境中常被重力干擾的多相流行為，在微重力下將展現出純粹的界面主導特性，為闡明多相流相間耦合機制創造了絕佳條件。而要實現微重力下液態金屬動力學的精準建模，必須對經典流體力學進行根本性修正——重新定義核心無量綱數，優化潤濕與相變的經典模型。這些理論突破，將為太空場景下液態金屬技術的工程化應用提供底層理論依據。

此外，微重力下液態金屬的固-液相變也展現出獨特的界面現象與傳熱機制，為外場主動調控相變過程提供了理想平臺。盡管地面研究已解鎖了液態金屬的諸多界面現象，但受重力限制，其底層機制仍未被完全闡明。微重力環境為解耦重力效應、重新審視流體行為的基本規律提供了變革性條件，有望解鎖地面無法實現的液滴輸運與形態調控新模式（圖6C）。未來，結合在軌實驗與地面模擬的系統性研究，將推動液態金屬理論與技術的雙重突破，最終開辟空間材料科學的全新前沿。

無疑，在廣闊的應用前景背后，仍存在大量亟待突破的理論與技術挑戰。材料相容性、長周期在軌穩定性、微重力下界面行為的精準控制、規模化在軌制造等核心問題，尚需通過地面實驗、飛行演示與理論模擬相結合的系統性研究逐一破解。這離不開材料學、航空航天、基礎物理、化學等多領域跨學科協作，以及全球科研工作者的攜手努力，以降低探索成本，共同推動液態金屬太空時代的到來。

回顧與展望

此次應邀發表前瞻性評述，根植于理化所團隊在液態金屬領域二十余年的持續深耕與系統創新。本世紀初，團隊開創性提出液態金屬芯片散熱技術，并將其拓展至各類高熱流密度芯片應用場景；2011年，團隊率先提出全球首個太空數據中心概念和技術原理并申請相關專利（CN103186179A），為太空算力基礎設施熱控技術奠定了早期基礎。

2017年，團隊依托當時世界第一高橋——北盤江大橋開展自由落體試驗，完成了地面模擬微重力環境下液態金屬流體行為研究，首次直接觀察到溶液中液態金屬隨重力消失而呈現出的自發變形與電控變形現象，為理解微重力流體行為提供了關鍵實驗依據。2018年，團隊進一步推動液態金屬走向太空，搭載“未來號”東風空間實驗艙，由“朱雀一號”商業火箭發射升空。盡管因火箭最終未能入軌導致任務失利，但此次首征太空的嘗試，為后續在軌實驗積累了寶貴的工程經驗。

經過數年精心準備，2023年團隊研制的液態金屬熱管理試驗裝置隨夢天實驗艙成功升空，在中國空間站圓滿完成了我國首次液態金屬空間熱管理在軌試驗，全面驗證了鉍基合金受控熔化、對流換熱與多模態相變控溫等核心技術，獲取了微重力下液態金屬的純強迫對流換熱數據。這一標志性成果，反映出液態金屬正式邁入空間在軌應用的新階段，也為未來空間核動力電源、深空探測器等大功率裝備的散熱系統設計提供了核心支撐。2026年，團隊在《制冷學報》第47卷第1期發表封面論文《太空數據中心熱控技術研究現狀與展望》（圖7），系統總結了太空數據中心的發展趨勢與技術需求，明確指出以液態金屬冷卻為代表的前沿熱控技術，將在應對高算力芯片極端熱流密度挑戰中發揮不可替代的核心作用。

圖7 《制冷學報》2026首期封面及太空數據中心熱控技術文章

總的說來，隨著人類持續向月球、火星乃至更遠的深空邁進，液態金屬正逐步從實驗室的基礎研究對象，轉型為支撐航天技術升級迭代的核心材料。抓住這一時代機遇，破解材料與技術的核心挑戰，液態金屬有望成為下一波太空探索浪潮中的關鍵材料，助力人類實現更安全、更高效、適應性更強的星際探索任務——在浩瀚宇宙中，續寫屬于新時代的問天傳奇。

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https://www.cell.com/cell-press-blue/fulltext/S3051-3839(26)00009-5