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太空制造商品前景很诱人?

由于私营航天公司的快速发展,人们使用商业火箭向太空运输货物和设备的价格大大降低。越来越多的企业家和科研人员得以利用近地轨道的独特条件进行制造研究,这些条件包括真空、微重力、纯粹的太阳能和极端温度。新的实验环境刺激了现代医学、技术和材料科学的创新,可以预见太空制造会大大改变我们制造物品的方式。

“轻松”打印人造心脏

在2016年底,有一架飞机在墨西哥湾的上空翻腾,它突然急速上升,然后猛冲向下。这并不是为了体验刺激或是拍摄电影,而是为了模拟失重环境,让其中的高科技打印机可以将心脏干细胞打印成简易的婴儿心脏组织。

这项疯狂实验是3D打印心脏项目中的重要一步,实验成功后,参与项目的公司预计将在2019年之前,通过商业火箭把高科技打印机送上国际空间站,在上面打印出能跳动的心脏补丁。

传统的心脏移植确实能有效地救助病人,只不过病人需要终身服用免疫抑制药物,以免出现移植排斥反应,还要遵守一系列“能做”或“不能做”的规则禁忌。如果我们能从患者自己的干细胞中培养出一个心脏,这不仅能降低排斥的风险,患者也无需苦苦等待合适捐赠者的出现。

为什么一定要去太空中打印心脏呢?原来是因为科学家发现在有重力的环境里,打印器官可是一个大难题。

科学家规划的理想实验是这样的:打印机将其中的心脏干细胞初步打印成型,刚打印出来的组织还不能立刻使用,需要经过一段时间的培养;接下来科学家会把这个组织放进粘稠的液体培养基和营养液中,让它继续生长一段时间。需要注意的是,我们不能一次性打印出一整颗心脏,只能将心脏各部分分别打印培育,最后再让他们生长融合在一起。这是因为目前我们的3D打印技术并不能“徒手”建3D,我们需要先打印出2D层,然后再把这些平面层层叠加起来,变成3D的样子。

问题的关键就是地球上的重力作用,它不仅限制了3D打印技术,还会让刚打印出来的组织会在数秒内坍塌变形,无法维持住完美的成品状态。为了让组织能保持结构并顺利生长,我们需要搭建一个支架,既能支撑住生长中的干细胞,又能在培育完成后在不损伤器官组织的前提下被摘除或融化。不幸的是,科学家至今都未能设计出这样的理想支架。

在地球上打印器官困难重重,科学家不由得把目光投向了太空。在近地轨道虚拟的“零重力”环境里,不再需要考虑重力的干扰,科研人员可以在不使用支架的情况下培育出一整颗心脏。

这是由于在低重力环境中可以直接打印出3D形状,而且还能一直维持住完整的结构和形态,让科研人员可以把打印好的成品放入培育箱,大约在45天后,这个成品会长成功能齐全的心脏组织,届时,便将它可以运回地球投入使用。

更高效的太空光纤

光纤是应用广泛的光传导工具,多被用为通讯传输材料。光纤的种类很多,其中有一种是氟化物光纤,由氟化物玻璃制成,被认为具有超低耗损的特性,能传输更宽的光谱,是长距离通讯优质之选。

遗憾的是,在地球上生产氟化物光纤很困难,成品的效果也不理想。在生产这种光纤时,需要先把玻璃原料加热至300℃,然后再从10~20米的高处向下拉伸,把这团变软的玻璃拉成长条,变成光纤的样子。由于空间和重力的限制,光纤的长度可能最多只能拉到700米,而且玻璃会在重力作用下形成结晶或者沉淀。虽说我们可以把多条光纤连接起来增加距离,但是连接处会丢失信号,光纤里的沉淀和结晶又会削弱信号的强度,最终的通讯效果大打折扣。这款光纤也因为造价高昂,材质较“脆弱”,效果还不尽人意,目前还未能被投入商业市场。

后来科研人员发现,在零重力环境中制造氟化物光纤,可以避免上述种种问题。在太空广袤的空间里,可以使用更大的玻璃块,轻易就能拉扯出几千米长的光纤;另一方面,没有了重力的影响,光纤中不再轻易出现沉淀或结晶。从成品上看,太空制造的光纤更长,内部也更清澈。这意味着在传输过程中信号的损失更少,信号延迟的情况也得到极大的改善。

目前,美国一家公司已经向国际空间站发射了制作氟化物光纤的材料和设备,在抵达空间站后,制作装置会开始制造这款太空光纤,完成后会随返航的太空舱一起回到地球。如果后续的测试情况良好,这款光纤可能会在短期内被投入生产并开始销售。

将污染工业迁离地球

利用低重力环境来进行3D打印或是制造高质量光纤,都只是太空制造的好处之一。太空制造还有一个非常明显的好处,就是可以让地球免受生产环节中产生的有毒废物的污染。

砷化镓是目前制造优良太阳能电池板的首选材料,它能将40%的光转化成能量,这个转化率是主流硅基光伏电池板的两倍。但是生产砷化镓时,会遗留下许多有毒的化合物。

在20世纪90年代,美国休斯顿大学材料科学家亚力克斯·伊格纳季耶夫首次于太空真空环境中制造出了一种砷化镓半导体,经评估,这种太空制造的半导体质量比地球制造要好上一万倍。这是因为原子氧(一般氧气是有两个氧原子组成,而近地轨道上氧是以单个氧原子形式存在的,化学性能非常活泼)和真空环境让这个化合物能够整齐地排列在一原子高的层面,再层层堆叠,中途还不会变形扭曲。

没有变形扭曲是生产优质砷化镓的重要条件,理论上,无缺陷的砷化镓太阳能板可以达到60%的能量转化率。

伊格纳季耶夫设想,在太空中直接制造出高质量的太阳能板,然后再将数千米长的砷化镓太阳能板排列在轨道上,用来收集太阳的能量,再通过微波将这些能量发射回地球,供我们使用。然而制作砷化镓时会产生不少有毒物质,人们担心太空工厂会对太空造成污染,进而使近地轨道上漂满太空垃圾或有毒废料。

幸运的是,太空有独特的能力来分解有害残留物。我们除了有地球大气层的保护之外,太阳中的紫外线辐射可以帮助分解危险的分子,再将这些成分无害地分散出去。虽然我们的星球是一个封闭的系统,但是太空是一个开放的环境,这个环境对大多数分子而言都具有强烈的腐蚀性,在太空的真空环境里,这些分子要么分裂要么蒸发。

基于这个情况,科学家产生了将有毒生产从地球转移至太空的想法。他们认为,出于环保需要,我们可以在太空中建立“巨型芯片工厂”,用以制造像半导体这类重污染产品,届时,污染生产可以完全从地球上消失。

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