等離子體（Plasma）是物質的第四態，由高度電離的氣體組成，包含自由電子和帶電離子，具有高導電性和集體行爲。宇宙中約 99% 的物質處於等離子體態（如恆星、閃電、太陽風），主要應用包括工業刻蝕、表面處理、可控核聚變等。
在半導體晶體生長的前沿工藝中，等離子體被視爲打破熱力學極限的核心手段。通過激發高能電子碰撞氣體分子，等離子體能夠在極低的熱力學溫度下產生高度活躍的化學自由基與離子態物質。
近日，總部位於英國的航空航天製造公司 Space Forge 宣佈已成功在其近地軌道衛星 ForgeStar-1 上，利用一臺溫度高達 1,000℃ 的半導體爐，生成了等離子體，證明可以在專用的商業衛星上實現先進半導體晶體生長所需的必要環境。
“我們目前的研究工作使我們能夠在太空製造出，比現在在地球上純度高出 4,000 倍的半導體，”Space Forge首席執行官約書亞·韋斯頓（Joshua Western）表示。
這是全球商業衛星首次在軌實現這一關鍵的半導體制造工藝。
與此同時，Space Forge 宣佈英國首個專注於在軌制造的專用研究設施——國家微重力研究中心 (NMRC) 於近日竣工。該公司在近地軌道微重力環境下生長的半導體種子晶片被送回地球，並在該中心進行放大。
2018 年，曾在歐洲航天巨頭 Thales Alenia Space 共事的約書亞·韋斯頓（Joshua Western）和安德魯·培根（Andrew Bacon）決定離職創業。
圖 | 首席執行官 Joshua Western 與首席技術官 Andrew Bacon（來源：Space Forge）
2020 年初，他們在卡迪夫的一個車庫裏開啓了 Space Forge 的雛形。兩人最初的想法是建造大型自動化衛星，接收客戶的原材料，在太空加工後送回。
這種看似瘋狂的願景很快吸引了硬科技資本的注意。2021 年，Space Forge 完成種子輪融資 1,020 萬美元，創下當時歐洲航天種子輪紀錄。但這種模式被證明過於昂貴，單次發射成本足以覆蓋掉晶圓的溢價。
隨後，Space Forge 轉向小型衛星 ForgeStar，主打快速週轉。Space Forge 提供整個製造環境，客戶租用衛星內的“實驗位”。但 2023 年維珍軌道發射失敗，讓公司意識到完全依賴高頻率發射回收的模式風險極高。
也因此，Space Forge 不再追求在太空大規模生產，而是在太空生產極少量、近乎完美的“種子晶圓”，再帶回地球進行擴產。2025 年 5 月，Space Forge 完成了 3,000 萬美元的 A 輪融資，領投方是北約創新基金。
圖 | 太空在軌生產應用的價值創造（來源：NASA）
科學研究表明，微重力環境對半導體晶體生長具有顯著優勢，主要源於重力驅動的對流、沉降和浮力等現象在太空中的完全消除或大幅減弱。這些因素在地球上會導致晶體生長過程中溶質分佈不均、熱梯度不穩定以及缺陷增加。而在微重力條件下，晶體生長主要由擴散和表面張力主導，原子或分子能更緩慢、有序地融入晶格，從而形成更大尺寸、更均勻結構、缺陷密度更低以及性能更優的晶體。
“當半導體材料在微重力條件下製造時，構成它們的原子排列得更加規則。”韋斯特恩解釋說，“太空的真空環境降低了污染的可能性，從而可以生產出“純度比地面上生產的半導體晶體高數百倍甚至數千倍”的半導體晶體。”
多項元分析和長期軌道實驗數據有力支持這一結論。例如，Nature npj Microgravity 上的文章對 1973 年至 2016 年間 160 個太空生長的半導體晶體進行的元分析顯示，86% 的晶體在至少一個關鍵指標（如尺寸、結構質量、均勻性或整體性能）上優於地面生長；NASA InSPA 項目對 120 個半導體晶體的回顧也證實，超過 80% 在結構、均勻性或尺寸上得到改善；巴特勒大學的相關研究進一步量化指出，微重力晶體生長平均可實現約 20% 的質量提升。
2025 年 6 月，該公司使用 SpaceX 火箭將 ForgeStar-1 衛星送入軌道，包括一個用於在微重力環境下進行冶煉和晶體制造的 1,000°C 爐子。ForgeStar-1 是一個尺寸僅爲微波爐大小的小型自動化工廠。主要用於驗證在無人干預的商業衛星上，是否能穩定控制半導體生長所需的極端物理環境。
圖 | ForgeStar-1 衛星的製造模型（來源：Space Forge）
然而，太空製造面臨的最大挑戰並非“如何造”，而是“如何回”。傳統的燒蝕隔熱罩在返回時會產生劇烈震動和高溫，這足以摧毀晶體脆弱的排列結構。
爲了解決這個問題，Space Forge 研發了 Pridwen 隔熱罩和軟着陸回收系統，確保高價值的晶體基板能毫髮無損地回到地球。
Pridwen 取自亞瑟王傳說中的傳奇盾牌“Pridwen”，象徵着防護與堅韌。其採用了受摺紙藝術啓發的摺疊式結構。該裝置由高性能耐高溫合金織物製成，在衛星返回大氣層前像雨傘一樣張開，利用極大的表面積產生大氣阻力進行減速。
這種設計不僅通過輻射散熱有效保護了內部敏感的半導體晶體免受極端高溫破壞，更顯著降低了返回過程中的過載與震動。Pridwen 的輕量化和可重複使用特性，解決了高價值材料從太空安全、廉價地送回地球的難題。
據悉，通過 ForgeStar-1 衛星產生的數據將直接用於 ForgeStar-2 的開發，後者計劃攜帶 Pridwen 完整熱盾，實現首次太空材料返回。
而隨着近期國家微重力研究中心在斯旺西大學落成，Space Forge 完成了閉環的最後一步：在 ForgeStar 衛星上利用等離子體工藝培育極少量的零缺陷“種子晶體”，然後將種子送回該研究中心，利用這些完美晶核作爲模板，在地面進行外延生長。
這種混合模式既保留了太空級的電學性能，又規避了太空大規模量產的產能瓶頸。後續生長出的材料即便受到重力影響，其整體電學性能仍能保留太空品質。
此外，Space Forge 也在探索太空微重力在醫學和合金方面的應用。在軌研發有望提高現有藥物的療效，從大幅延長保質期的化合物到能夠實現更佳藥物遞送方式的純蛋白結晶；在微重力環境下，新型合金和超合金的製造潛力也幾乎是無限的。
參考鏈接：
1.https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93
2.https://www.skyatnightmagazine.com/news/space-forge-forgestar-1-plasma
3.https://www.nature.com/articles/s41526-024-00410-7
4.https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20250002791/downloads/IEEE%20Texas%20Semiconductor%20Summit_Hill%20040425%20r9.pdf
5.https://digitalcommons.butler.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1798&context=ugtheses
6.https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/uk-company-shoots-a-1000-degree-furnace-into-space-to-study-off-world-chip-manufacturing-semiconductors-made-in-space-could-be-up-to-4-000-times-purer-than-earthly-equivalents
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