早期的宇宙实验室
不必到极遥远的宇宙中去也能做失重状态下的实验。只要将实验设备从高处落下，这时该实验设备的内部已大致上形成失重状态。开始用这种自由下落方法做失重的材料实验的是美国人，那是在1970年。实验的最初场所是开发土星火箭的美国宇航局的马萨尔宇宙中心。
在地面上制造合金，想要制成非常均匀的合金组织是困难的，而用自由下落的方法来制造这种合金，其结果是极为吸引人的。虽然做成了很多实验，但因自由下落的时间太短（约4秒），就改用飞机和小型火箭了。可是其实验时间也不够长，于是想到是否能在实验时间足够长的宇宙飞船中做实验呢？
阿波罗宇宙飞船的材料实验就是由此而来的。那是在宇宙飞船中把不同密度的材料混合而制成复合材料的实验。这个天空实验室（Skylab）到1973年发射为止，准备了十年之久，全部重量为90吨。这是世界上最早的正式宇宙实验室。
在月球旅行方面理应具有丰富经验的美国宇航局，在该实验室上却遇到'过意外事故。在发射时，使太阳能电池翼板的一半，与防止太阳直射光的遮热板飞散掉了，为了控制室内温度激烈上升，剩下的太阳能电池翼板不能安放到接收足够入射光的姿态，以及由于失去电池翼板的一半而使电力不够等，人们曾担心也许不能进行材料实验了。不过，由于采取的紧急应急处理奏了效，实施了预定的大部分材料实验。由于该宇宙实验室的能量大部分依赖太阳光，所以，根据太阳能电池翼板的发电能可决定材料实验的规模和内容。
这里应注意到的是美国宇航局的人们充分理解材料实验的重要性，很早就着手在宇宙中的材料研究。
围绕着地球不断运转的宇宙飞船，由于离心力与重力相互抵消，出现了失重状态。所谓重量是由重力产生的，所以在宇宙飞船上的物体就等于处在没有重量的环境之中。
在失重状态下做材料实验究竟有什么意义呢？实际上，材料在液体、气体、粉粒的情形时都会出现显著的失重效应。假设在宇宙飞船上烧浴水，怎样调节热水温度呢？会像地面上烧时那样上面特别热而下面还是冷水吗？还有，想喝咖啡而烧开水时，能不能像地面上那样哗哗地滚沸呢？
像地面上液体具有的那些如热对流、浮力、静水压等现象，而在宇宙飞船上是完全不存在的。这是因为密度变为零的缘故。如果说是因为失重状态理所当然的也就算了，总之，在宇宙中不会产生因密度差而引起的对流和浮力。静水压由于是液体自身重量的结果，所以在没有重量的场合下，不管怎样深的水中也没有水的压力。因此，想象一下烧浴水和开水时的热水将会是怎样的呢？看来是有趣的。
利用在宇宙实验室中物体不会因密度差而浮起或沉下这一事实，制成了重的材料和轻的材料均匀混合的新材料。还有，把油和水放在小瓶子里，用细绳系住，用力挥动使其成为混合液，就能永远保持混合状态。
简单地制得浓度均匀的晶体
美国宇航局认为在宇宙中可能很容易地制得优质的晶体，因此他们对这方面的研究寄予很大的希望。确实，在宇宙实验室制造的铟锑合金的单晶，其成分分布得相当均匀。
在这个实验中，还把在地面上制造的单晶，再一次在宇宙中重新熔化并使之凝固，制成单晶。单晶是在炉中加设以温度梯度，使熔化的试料从一端开始顺次凝固后制成的。这种情况下，不会由于密度差和热对流而引起成分偏斜这一事实是生成优质晶体的有利因素。
如有热对流，则熔融材料的温度就会或高或低地变化。这样的话，熔融材料中的合金成分的浓度也会发生变化。这种浓度作变化的熔融材料凝固成晶体的话，则晶体中的合金成分和浓度当然也会显出不均匀了。在地面上制造的单晶的线条就是因温度变化引起的合金成分的不均匀。
熔融合金只是草草冷却，也不能成为单晶，而只能成为小的单晶集合体，即多晶体。过去制造单晶，不是那样简单的工作。现在，由于技术的进步，像硅、锗等半导体单晶材料已工业化生产了，但不是所有材料都可制成单晶。
在宇宙材料实验中不要容器
有一种所谓过冷现象，就是把液态材料在慢慢地冷却，即使温度降到远比该材料凝固点还低，仍能保持液态。这是指在地面上说的。
那么，在宇宙中做这种实验将会怎样呢？首先，在失重环境的宇宙中，把金属材料等制成液态而不必使用容器。如使用容器，则从该容器就会熔化出杂质。这种杂质将成为形成晶核的据点。此外，容器的壁，用显微镜等来看是凹凸不平的，一般认为容易出现晶核。因此，所谓不要容器，就是使晶核不易形成，便于成为过冷状态。而且在宇宙中没有热对流，因而液体成为没有流动的非常安静的状态。
也许由于具备了上述这种条件，在宇宙空间过冷现象似乎可在更低的温度下实现。如果真是这样，就可以更容易地制造出更大尺寸的非晶态金属材料了。因为非晶态的结构是一种具有液态结构的固体。如果过冷状态是处于更低的温度，则转变为非晶态状态就更容易了。通过最近的研究，已了解到非晶态金属是一种强度、耐腐蚀性、磁性等优良的金属，而陶瓷的非晶态化也有可能制造出有趣的材料。宇宙实验室可为开发理想的材料带来美好的前景。
按通常的说法，液体凝固时的晶核是由从容器壁和容器上熔化下来的，或是由早已混入的一些微量杂质来担任这个角色的。在可以忽略热对流密度差、容器等作用的宇宙中，可以为解开结晶是如何形成的这一疑问，进行相应的实验。如实验中使用透明的溶液，则可观察到晶核产生后生长的情况，因此还研制了把这过程记录下来的录像装置。
不需要使用容器，这对处理那些容易反应的，在高温下不断腐蚀容器，使自己本身纯度降低的高纯铝这类麻烦的材料特别有用。另外，据说在原子反应堆的设计中有备于意外事件，必须取得超过5，000℃（氧化铀）的高温反应的数据。不需要像地面上那样使用坩埚的宇宙实验室将会为这类实验提供宝贵的实验数据。
但在无容器情况下，有一个把熔融材料怎样放置在固定的位置上的问题。例如，从几个方向发出声波，则其声压可能把物质保持在某一点。因此，美国宇航局正在开发用声波和电磁场，无接触地使熔融材料保持在一定位置的设备。这种能在无容器下，无接触地处理熔融材料的方法，在处理熔融高纯金属等方面是很有吸引力的。所以这样说，是因为即使制造出99.9999%的高纯金属，若放入坩埚中，每熔融一次，其纯度就要降低一到二个数量级。在硅半导体制造厂中，人们为了把来自坩埚的杂质侵入控制在最小程度而煞费苦心。
具有吸引力的壳体工艺
在处理熔融材料时，不能忽视周围气体的影响。假如气体中含有氧，则熔融材料会被氧污染。氮也一样。因此，处理超高纯度的材料，希望在超高真空中进行。据说，如把甚至连宇宙中仅有的微量气体都能排除的特殊装置安装在宇宙飞船内，则可获得在地球上通常不可能实现的10-13托（1大气压=760托）的极超高真空，所以，美国宇航局目前正在研制这种装置。
那么，如果在无容器情况下熔融钢时，将会怎样呢？在失重环境下，无论是水，还是在1600°C下熔化的钢，都形成为球形。这是由于表面张力的缘故。也有人想利用这一点来制造完全的球形。
在宇宙中虽然没有重力作用，可是液体自身的表面张力仍起作用、把具有远不亚于表面张力的强度的薄膜，覆盖在预先成形的加工材料表面，再在宇宙中作熔融处理，制成像汽轮机叶片那样耐热性好的发动机部件，这项研究已在西德发表了。
一项计划是在地面加工后的耐热合金，做成汽轮机叶片的形状，再浇上约50微米薄的氧化铝膜后，在宇宙中熔化－凝固处理后再带回地面。如果在地面上作相同处理的话，则50微米厚度的氧化铝膜不能支持住熔化合金的重量而导致破坏。而在失重情况下，薄膜所具备的力只要不低于熔化金属形成球形所需要力就可以了。如果是这种薄膜型，则要做到使其中的合金熔化－凝固。使合金的结晶按一定方向排列的这种温度控制也很容易。
这就称之为壳体工艺学。在西德，反复进行了小型火箭的飞行试验，正在开发这项技术。
日本的宇宙材料实验正在进行用小型火箭的现有试验和航天飞机的利用计划。小盘火箭自1980年9月发射以来，经不断改进后又在1982年8月做了实验，大体上已确立了失重状态下的试验技术。此外，在航天飞机上的宇宙实验室内的材料实验，将由企业、大学和研究机构提出各种各样的试验计划。几年以后的宇宙实验室的试验工作，正在做好准备。
[《科学朝日》，1982年12月53—57页]