导语：光纤制造正在向太空拓展。2024年初，Flawless Photonics与澳大利亚阿德莱德大学团队利用国际空间站的微重力环境，累计制备出11.8公里的ZBLAN氟化物玻璃光纤，其中单根最长连续光纤达到1.1公里。相关完整研究成果已于近日正式发表。实验显示，部分在轨制备样品的光学损耗明显低于地面样品，力学强度提高约80%。这一进展为特种光纤制造和光通信材料研究提供了新的实验依据，但距离规模化生产和商业应用，仍有材料纯度、工艺控制与制造成本等难题需要突破。
国际空间站累计拉制11.8公里光纤，完整成果近日发表
在电线电缆行业，制造工艺、材料性能和产品可靠性始终是技术升级的重要方向。随着光纤光缆向高性能、特种化方向发展，如何进一步降低传输损耗、提高材料质量，也成为相关企业和科研机构持续探索的课题。
此次实验于2024年初开展，核心材料是ZBLAN氟化物玻璃。研究团队将专用拉丝装置送入国际空间站，在轨运行约一个月，累计制备出11.8公里光纤，其中单根最长连续光纤达到1.1公里。
与此前部分在轨制造实验相比，这次实验的重要进展在于累计产出长度进一步增加，同时实现了更长距离的连续光纤拉制，为微重力环境下的光纤制造提供了新的实验依据。
实验结束后，光纤样品搭乘返回舱回到地球。由五家机构组成的国际联合体，对其中直径均匀性最好的约2.1公里样品进行了光学和力学性能测试。研究团队还利用地面同型号设备制备对照样品，以分析微重力环境对产品性能的实际影响。
研究人员在复绕过程中还观察到一个值得关注的现象：设备发生卡滞时，部分太空制备光纤没有像预期那样断裂。这一现象促使团队进一步关注样品的力学性能。
需要明确的是，此次取得进展的是光纤拉制环节，并非包括护套挤出、成缆、铠装和接头加工在内的完整光缆制造。其成果主要为特种光纤材料与制造工艺研究提供参考。
为什么要在太空制造光纤？
此次实验选择的ZBLAN，是一种由锆、钡、镧、铝、钠等元素组成的氟化物玻璃材料。
与常规石英光纤相比，ZBLAN具有不同的光谱透过特性，理论上有望实现较低的光传输损耗，并覆盖从紫外到中红外的较宽波段。因此，这类材料在特种光传输、激光技术及其他特殊光学应用中具有研究价值。
但ZBLAN光纤的制造难度较大，尤其容易受到结晶问题的影响。
在玻璃熔融、浇筑和拉丝过程中，如果材料内部形成微小晶体，就可能引起光散射，增加传输损耗。对于光纤产品而言，即使材料本身具有良好的理论光学性能，制造过程中产生的缺陷也可能使实际性能大打折扣。
微重力环境为解决这一问题提供了新的研究方向。
在地面制造过程中，重力可能影响熔体对流、组分迁移及沉降等过程。在微重力条件下，相关效应会发生变化，有可能改善部分材料的均匀性，并降低某些制造缺陷的形成风险。
早在20世纪90年代至21世纪初，研究人员就开始通过失重飞行实验探索微重力环境下的玻璃光纤制造。此后，相关项目陆续开展在轨拉丝尝试，但连续制造长度和产品性能一直是技术验证的重要难点。
此次实验累计制备11.8公里光纤，单根最长连续光纤达到1.1公里，表明在轨制造正在向更长距离的连续拉丝推进。不过，真正进入系统性能评估的只是其中一小部分。累计产出长度并不等同于单根光纤长度，也不能直接代表批量生产能力。产品成品率、性能一致性和长期运行稳定性，仍需要进一步验证。
光学损耗降低、强度提高约80%，实验结果释放什么信号？
此次实验最受关注的，是在轨制备光纤与地面产品之间的性能差异。
首先，部分样品的光学损耗明显降低。
对于具有阶跃折射率结构的ZBLAN光纤，在轨制备样品的衰减明显低于地面拉制产品。光学损耗降低，意味着在相同测试条件下，光信号传输过程中因衰减而损失的能量减少。
对于光纤光缆行业而言，低损耗是重要的产品性能指标之一。但实际应用中的价值，还需要结合工作波段、传输距离、接续损耗、系统设计和产品成本综合评估。
其次，具有阶跃折射率结构的光纤样品，力学强度较地面同型号设备制备的对照样品提高约80%。研究人员认为，结晶现象受到抑制可能是性能改善的原因之一。
对于玻璃光纤而言，结晶和内部缺陷可能影响材料的力学稳定性，进而影响光纤在制造、复绕和后续加工过程中的表现。如果这一改善能够在更多批次中稳定复现，就有望为特种光纤的可靠制造提供新的技术路径。
不过，光纤本体的强度提升，并不意味着完整光缆的抗拉、抗压、抗弯或耐环境性能会同比提升。光缆的整体性能还受到涂覆层、护套、加强构件、结构设计和制造质量等多方面因素影响。
更重要的是，并非所有样品都表现出同样的改善。
在单折射率光纤样品中，太空制备产品的力学强度仍略有提高，但光学性能与地面对照样品之间没有明显差异。
这说明，微重力环境并不是决定光纤质量的唯一因素。材料配方、预制棒质量、原料纯度和拉丝工艺等，同样会影响最终产品性能。
太空制造并非万能，原料纯度仍是关键瓶颈
尽管实验取得进展，ZBLAN光纤的实际性能距离理论潜力仍有差距。
研究团队指出，仅依靠微重力环境，无法消除光纤制造过程中的全部损耗来源。现阶段，至少有两类问题需要重点解决。
一是预制棒内部缺陷。
光纤拉制前，需要先制备玻璃预制棒。在熔融玻璃浇筑、成形和凝固过程中，气泡及其他结构缺陷可能残留在材料内部。
这些缺陷会引起光散射，也可能影响光纤的力学性能。由于相关问题可能在预制棒制造阶段就已形成，将拉丝设备送入太空并不能自动消除这些缺陷。因此，提高预制棒质量、优化玻璃熔制与成形工艺，仍然是改善光纤性能的重要基础。
二是原料中的微量金属杂质。
铁、钴、镍、铜等过渡金属杂质可能在特定波段产生较强吸收，增加光纤的传输损耗。
与结晶问题不同，杂质吸收不能仅靠改变重力环境解决。即使光纤内部没有明显气泡或晶体，杂质依然可能限制其光学性能。
参与相关领域研究的克莱姆森大学材料科学家John Ballato也指出，氟化物材料的原料纯度问题早已受到关注，单纯改变制造环境并不能解决这一根本性难题。
对于电线电缆行业而言，这一结果具有一定启示意义：先进制造环境可以改善部分工艺条件，但不能替代基础材料质量控制。
无论是特种光纤还是其他高性能线缆材料，最终产品的性能都取决于原材料、加工工艺、结构设计和质量控制的共同作用。对于有意布局高端光纤光缆的企业，材料纯度与工艺稳定性仍然是不可忽视的竞争基础。
从实验室走向产业化，还需要算清成本账
技术性能取得突破，并不意味着产业化条件已经成熟。
目前，ZBLAN属于特种光纤材料，其潜在应用价值与常规石英光纤有所不同。在特定高附加值场景中，如果在轨制造能够稳定提升产品性能，并形成地面工艺难以实现的优势，就可能具有进一步开发的空间。
Flawless Photonics认为，随着设备自动化程度提高、连续制造能力增强，发射成本在整体制造成本中的占比有望下降。
但太空制造的经济性不能只看发射费用，还需要综合考虑设备研发与发射、在轨运行维护、空间站资源占用、产品回收、质量检测和批次一致性等成本。
与此同时，国际空间站计划于2030年前后结束运行，相关企业还需要评估商业空间站或其他自动化在轨制造设施等替代方案。
环境影响也是产业化评估的一部分。火箭发射会产生颗粒物及其他大气排放，高频次发射可能带来额外的环境压力。未来如果在轨制造需要扩大规模，制造收益、发射频率和环境成本之间的关系也需要进一步研究。
因此，太空制造能否形成可持续商业模式，关键不只是能否生产出高性能光纤，还要看产品性能提升是否足以抵消额外的制造和运输成本。
对电线电缆行业意味着什么？
从行业视角看，此次实验更适合被理解为特种光纤制造技术的一次前沿探索，而不是传统光缆生产方式即将发生根本性变化的信号。
其潜在价值主要体现在三个方面。
一是为高性能特种光纤的制造提供新的工艺思路。
微重力环境可能改善部分材料的结晶控制，为进一步研究氟化物玻璃的制造工艺创造条件。
二是再次凸显基础材料与制造工艺协同优化的重要性。
光纤性能不仅取决于材料的理论特性，也取决于预制棒质量、原料纯度和拉丝过程中的缺陷控制。
三是为高附加值光纤产品的技术路线选择提供参考。
未来，相关技术是否适合产业化，仍需结合目标应用的性能要求、产品一致性和全生命周期成本进行评估。
目前，Flawless Photonics计划于2027年年中开展新一轮实验，进一步验证在轨制造路线。团队也在探索更高质量的光纤预制棒制备方案，希望从材料源头改善产品性能。
对于电线电缆行业而言，值得持续关注的，不只是光纤能否在太空制造，更是这种新制造环境能否形成可重复、可扩展、具有经济性的技术优势。
太空拉制光纤已经迈出新的实验步伐，但从性能突破到产业应用，仍需经过材料、工艺、成本和工程可靠性的多重检验。