"世界工廠"不算啥:"太空製造"才是人類的未來？

　　2017-04-06 09:49:33　來源: 網易科學人舉報

　　未來工廠可能漂浮在太空中。

　　出品︱網易科學人欄目組

　　你想要更好的太陽能電池板、更快的網路、更環保的計算機晶元以及實驗室培育的人類心臟嗎？太空製造或能幫助我們實現這些夢想。未來工廠可能漂浮在太空中，3D列印技術能夠製造任何產品，包括火箭。

　　

　　圖：私人公司幫助進入太空變得更容易，這也為製造業開闢了新的通道。Bigelow Aerospace公司正展示其可擴展艙，它可以充當近地軌道上的工廠

　　2016年夏季，一架飛機進入墨西哥灣上空近萬米高空，不斷翻轉騰挪。它的目標不是為了尋求刺激，而是進行大膽的科學實驗。在25秒鐘內，它以拋物線的方式飛行，以便飛機上的「乘客」體驗模擬失重狀態，允許高科技印表機將心臟幹細胞變成雙心室，即嬰兒心臟的簡化版本。

　　儘管這個實驗令人印象深刻，但其實際上只是更大膽目標的組成部分。nScrypt（幹細胞印表機製造商）、Bioficial Organs（墨水供應商）以及Techshot（想出心臟實驗的美國科技公司）高管正計劃於2019年在國際空間站上列印心臟補丁。這個印表機將隨著商業火箭被送到空間站上。

　　Blue Origin和SpaceX等私人太空飛行公司經常受到譴責，被指利用納稅人投資虛無縹緲的工程。但這些公司的出現，的確幫助向太空發送貨物和設備的成本變得更廉價。如今，向太空中發送每公斤貨物大約需要5000美元，而在太空飛機時代需要3萬美元。為此，越來越多的企業家和研究人員正尋求利用進入太空相對廉價的方式，利用低地軌道的獨特品質（包括真空、微重力、無限太陽能、極端氣溫），大力發展製造業。他們的實驗已經推動了醫學、技術以及材料科學方面的創新。最終，「軌道製造」將徹底改變我們的生產方式。

　　更輕巧的心臟

　　心臟移植病人可能需要漫長的等待，才能找到合適的移植器官。在接受心臟移植手術后，他們餘生都需要服用免疫抑製劑，以便於身體不會排斥外來器官。利用病人自己的幹細胞列印心臟，不但可以加快移植速度，而且還能降低免疫排斥反應。此外，這種列印心臟還可以完美適應病人原來心臟的尺寸。

　　

　　圖：藉助「嘔吐彗星」的模擬微重力環境，許多公司成功利用3D列印技術列印出較小的心臟結構

　　然而談及在地球上列印心臟，地球引力成為最大的阻礙。要想可列印的生物墨水成長，幹細胞的培養基和營養物就需要擁有水的特性，以確保細胞在移動過程中編織成健康的心臟組織。因為這種水的特性，要想在地球上培育心臟，你需要支撐結構。Techshot首席科學家尤金·博蘭（Eugene Boland）表示：「如果研究過心臟，你會發現它實際上就是包裹在肌肉中的開放空隙。」不幸的是，科學家們還沒有想出培育幹細胞的支架，這個支架要在不損傷新生器官的情況下被摘除或融化。

　　通過在太空中列印器官，Techshot認為可以培育出不需要使用支架的完整心臟。博蘭說：「如果我們在地球上嘗試，它在1秒鐘內看起來非常完美，但隨即就會成為桌子上的融化物。它看起來就像個果凍，在立即被切開分享后，到你的盤子里它已經變得一團糟。」

　　但是微重力環境可以幫助心臟維持形狀，甚至不需要任何支架。這是因為，微重力使得3D列印形狀更加直接。在地球上，複雜的3D物體（比如心臟模型）需要以2D層的方式列印，在相當耗時的過程中，一層層列印覆蓋。nScrypt首席執行官肯尼斯·徹奇（Kenneth Church）表示，在微重力環境中列印可以讓物體以真正的3D形態列印出來，速度提高100倍。

　　

　　圖：在墨西哥上空翻滾的飛機上，研究人員正模擬微重力環境實驗3D印表機

　　在去年7月份的拋物線飛行中，nScrypt和Techshot列印的首個心臟結構，在列印后1分鐘內就失去了半數重量，當時飛機上剛剛恢復重力。國際空間站上的失重環境應該可以讓幹細胞維持住形狀，直到其成長為功能齊全的心臟組織。博蘭估計，太空中列印出來的器官可以在培育45天後重新送回地球。

　　徹奇將這個項目視為超越3D炒作之外的完美方式。他說：「人們已經厭倦了炒作，他們承諾向你提供心臟，可是心臟在哪兒？我能告訴你的是：它在太空中。」

　　全新網路

　　美國宇航局下屬Space Portal Office物理學家伊奧娜·科茲木塔（Ioana Cozmuta）已經評估過數以百計與太空相關的技術。她的任務就是尋找和審查想在太空中做生意的合作夥伴。她說：「我的目標是為商業太空創造成功故事，但我深受炒作之苦。」

　　科茲木塔的部分工作是擔心迷人的領域出現令人失望的危險。無數的爆炸事件表明，即使「黑天鵝」企業家伊隆·馬斯克（Elon Musk）也不能免疫昂貴的錯誤，複雜的火箭科學中經常出現這樣或那樣的意外。英國大亨理查德·布蘭森（Richard Branson）2008年就曾預測，太空旅遊在2010年中期就可能實現。然後他又將這個日期推遲到2013年聖誕節、2014年聖誕節，最終期限由於測試飛行期間發生致命事故而變得遙遙無期。

　　即使對於世界上最聰明、最富有的企業家來說，太空依然充滿了風險。在評估了數以百計的公司后，科茲木塔已經發現許多高管敲定的、令人興奮的空間商業創意，即使這些計劃充滿了漏洞。

　　美國南加州公司FOMS已經贏得資助，明年開始在國際空間站上製造東西。該公司這樣做的部分原因是，需要確保項目打下堅實的經濟基礎。FOMS首席科學家迪米特里·斯塔羅杜波夫（Dmitry Starodubov）決定放棄在太空中採集稀有金屬的想法，比如鉑金，其目前每公斤售價約為3萬美元。在斯塔羅杜波夫看來，這依然不足以讓太空採礦盈利。他說：「即使我們的月球是純鉑金構成的，我們的模型顯示，在月球上採礦並將其送回地球，在商業上依然是不可行的。」

　　相反，FOMS著眼於更輕、更有價值的目標——光纜。典型的光纜可以將這些文章傳輸到你的手機屏幕上，每公斤售價約為3000到5000美元。但是太空光纜可以傳輸更多數據，或讓數據傳輸更便宜，因為其要求的能量更少。最貴的光纜每公斤售價達到數百萬美元，顯然這就是價值重量比(value-to-weight ratio）最合適的產品，而在太空中製造成本和風險更低。

　　

　　圖：在零重力環境下製造的光纜比在地球上製造的光纜質量更高，這意味著其信號損失更少，使用更少的能源傳送數據更多，也更便宜。

　　ZBLAN這樣的太空光纜也可以在地球上生產，但並不容易。製造ZBLAN光纜的正常過程包括將特質玻璃加熱到300攝氏度以上，然後將其拉長，就像長長的口香糖那樣，通常需要在高10米到20米的低落塔上進行。但是原料尺寸限制了電纜的長度，光纜最長為700米。理想情況下，公司希望光纜越長越好，因為節點可能導致信號損失。此外，重力導致ZBLAN的晶體結構沉降，從而產生導致信號變弱的缺陷。

　　這也是為何斯塔羅杜波夫希望能在國際空間站上製造ZBLAN和其他複合材料的原因，太空產品在質量和數量上都遠遠超過地球。他已經幫助創造出原型，利用行李箱大小的低落塔像花園軟管那樣將光纜繞到線軸上。科茲木塔表示：「從理論上看，可以在24小時內拉出數百千米長的光纜。」沒有重力困擾，也不會出現結晶的問題。

　　儘管ZBLAN很難在地球上製造，但研究人員依然對這些東西很感興趣，因為它比二氧化硅傳播更廣泛的光波，包括紫外線和深紅外線。這可能被用於創造未來技術，比如紫外線手術激光、眼部安全紅外製造工具以及更好的熱追蹤導彈反制措施等。此外，它也可以讓我們的寬頻管道變得更寬。科茲木塔估計，與現存二氧化硅光纜相比，太空製造的ZBLAN信號密度損失可減少100倍。與此同時，它也可以幫助傳輸數據更便宜，因為使用更少的能量可將同等數據傳輸更遠的距離，不再要求更昂貴的傳輸設備。

　　至於纏繞好的光纜如何運回地球？科茲木塔說，你可以將其交給SpaceX帶回來。

　　砷的未來更光明

　　有些在太空中製造的材料無需送回地球，就可以為我們提供幫助。以鎵砷複合物為例，8英寸的晶片價值超過5000美元，而且會導致大量有毒副產品。但它可被用於製造最好的太陽能電池板，40%的太陽能可以被轉化為電能，而硅質太陽能電池板的轉化率僅為15%到20%。

　　美國休斯頓大學材料科學家亞力克斯·伊格納季耶夫（Alex Ignatiev）20世紀90年代首次在真空環境中製造出鎵砷半導體，其質量是地球上同等產品的10000倍。那是因為，原子氧與真空環境可以讓這種複合物在原子層高度整齊地生長，互相堆疊成數萬層，而且不會產生任何扭曲，從而大大增加太陽能的轉化效率。從理論上看，沒有缺陷的鎵砷最多可以讓太陽能的轉化率達到60%。

　　伊格納季耶夫設想，在軌道上安裝1公里寬的鎵砷太陽能電池板陣列，收集太陽能，並通過微波將其傳送回地球，類似日本2015年提出並演示的太陽能農場。無需在地球上建造脆弱的電池板，在太空中組裝太陽能電池可大幅節省成本。伊格納季耶夫說：「當你身處太空中時，你可以進入地球同步軌道，因此你可以總是面對太陽，然後將能量傳輸回地球。」地球上的網狀接收器可以接受微波信號，它們可避免微波對飛機、鳥類、莊稼以及牲畜產生傷害。

　　

　　圖：與標準硅質太陽能電池板相比，鎵砷構造的太陽能電池板（與NASA黎明號太空船上的類似）效率更高。可是，生產鎵砷電池板會產生有毒副產品。在太空中製造鎵砷太陽能電池板可減少有害作用，同時增加其效率

　　可是，沒人想要看到低地軌道變成漂浮的有毒垃圾堆。幸運的是，太空具有分解有毒殘留物的獨特能力。除了保護地球大氣層外，來自太陽的紫外線輻射可以分解危險分子，將它們分解成無害成分。伊格納季耶夫說：「我們的地球是個封閉系統，對於大多數分子來說，裡面的開放環境並不容易進入。它們要麼在真空環境中分解，要麼徹底蒸發。」

　　對於亞馬遜和Blue Origin創始人傑夫·貝索斯（Jeff Bezos）來說，將有毒產物拖入太空處理似乎是個不錯的主意。貝索斯曾在去年6月份和9月份宣稱：「你可以前往太空拯救地球。出於保護環境的原因考慮，我們需要在太空中建造超級晶元工廠。在那裡製造半導體這樣的骯髒東西，可以讓危險完全遠離地球。」

　　儘管我們的電子產品散發出各種美麗的光芒，但製造計算機晶元卻也非常危險。製造單個集成電路板需要2200加侖水，以便清理和冷卻晶元，2015年我們製造了大約9億個這樣的電路板。儘管廢水經過處理，美國半導體公司在2003年到2013年間依然被發現有1萬多起違反環保法行為。可是，如果你使用冰凍真空作為冷卻劑，誰還需要水呢？

　　太空製造的未來

　　不管前景多麼誘人，在太空中生產都需要龐大的資金支持，還需要承受住風險。肯定會出現生命損失和高額成本，但那並非意味著這種方法無效。在失重環境中成功列印心臟后，Techshot的博蘭花些時間慶祝這個裡程碑。他說：「我們感到驚訝，我可以告訴你，這種方法肯定管用。」

　　除了正在考慮在國際空間站列印心臟，nScrypt的徹奇還有更大的目標。假設這種方法能夠顯著提高生產速度，3D列印的優勢將讓太空列印與地球上的大型製造商相互競爭。伊格納季耶夫的太空鎵砷太陽能電池板就是個例證，同樣的原則也適用於衛星甚至飛船。徹奇說：「我希望能在太空中列印所有東西，包括火箭。」