前景誘人的太空制造

金凌

由于私營(yíng)航天公司的快速發(fā)展，人們使用商業(yè)火箭向太空運(yùn)輸貨物和設(shè)備的價(jià)格大大降低。越來(lái)越多的企業(yè)家和科研人員得以利用近地軌道的獨(dú)特條件進(jìn)行制造研究，這些條件包括真空、微重力、純粹的太陽(yáng)能和極端溫度。新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境刺激了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、技術(shù)和材料科學(xué)的創(chuàng)新，可以預(yù)見(jiàn)太空制造會(huì)大大改變我們制造物品的方式。

“輕松”打印人造心臟

在2016年底，有一架飛機(jī)在墨西哥灣的上空翻騰，它突然急速上升，然后猛沖向下。這并不是為了體驗(yàn)刺激或是拍攝電影，而是為了模擬失重環(huán)境，讓其中的高科技打印機(jī)可以將心臟干細(xì)胞打印成簡(jiǎn)易的嬰兒心臟組織。

這項(xiàng)瘋狂實(shí)驗(yàn)是3D打印心臟項(xiàng)目中的重要一步，實(shí)驗(yàn)成功后，參與項(xiàng)目的公司預(yù)計(jì)將在2019年之前，通過(guò)商業(yè)火箭把高科技打印機(jī)送上國(guó)際空間站，在上面打印出能跳動(dòng)的心臟補(bǔ)丁。

傳統(tǒng)的心臟移植確實(shí)能有效地救助病人，只不過(guò)病人需要終身服用免疫抑制藥物，以免出現(xiàn)移植排斥反應(yīng)，還要遵守一系列“能做”或“不能做”的規(guī)則禁忌。如果我們能從患者自己的干細(xì)胞中培養(yǎng)出一個(gè)心臟，這不僅能降低排斥的風(fēng)險(xiǎn)，患者也無(wú)需苦苦等待合適捐贈(zèng)者的出現(xiàn)。

為什么一定要去太空中打印心臟呢？原來(lái)是因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在有重力的環(huán)境里，打印器官可是一個(gè)大難題。

科學(xué)家規(guī)劃的理想實(shí)驗(yàn)是這樣的：打印機(jī)將其中的心臟干細(xì)胞初步打印成型，剛打印出來(lái)的組織還不能立刻使用，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)；接下來(lái)科學(xué)家會(huì)把這個(gè)組織放進(jìn)粘稠的液體培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)液中，讓它繼續(xù)生長(zhǎng)一段時(shí)間。需要注意的是，我們不能一次性打印出一整顆心臟，只能將心臟各部分分別打印培育，最后再讓他們生長(zhǎng)融合在一起。這是因?yàn)槟壳拔覀兊?D打印技術(shù)并不能“徒手”建3D，我們需要先打印出2D層，然后再把這些平面層層疊加起來(lái)，變成3D的樣子。

問(wèn)題的關(guān)鍵就是地球上的重力作用，它不僅限制了3D打印技術(shù)，還會(huì)讓剛打印出來(lái)的組織會(huì)在數(shù)秒內(nèi)坍塌變形，無(wú)法維持住完美的成品狀態(tài)。為了讓組織能保持結(jié)構(gòu)并順利生長(zhǎng)，我們需要搭建一個(gè)支架，既能支撐住生長(zhǎng)中的干細(xì)胞，又能在培育完成后在不損傷器官組織的前提下被摘除或融化。不幸的是，科學(xué)家至今都未能設(shè)計(jì)出這樣的理想支架。

在地球上打印器官困難重重，科學(xué)家不由得把目光投向了太空。在近地軌道虛擬的“零重力”環(huán)境里，不再需要考慮重力的干擾，科研人員可以在不使用支架的情況下培育出一整顆心臟。

這是由于在低重力環(huán)境中可以直接打印出3D形狀，而且還能一直維持住完整的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，讓科研人員可以把打印好的成品放入培育箱，大約在45天后，這個(gè)成品會(huì)長(zhǎng)成功能齊全的心臟組織，屆時(shí)，便將它可以運(yùn)回地球投入使用。

更高效的太空光纖

光纖是應(yīng)用廣泛的光傳導(dǎo)工具，多被用為通訊傳輸材料。光纖的種類(lèi)很多，其中有一種是氟化物光纖，由氟化物玻璃制成，被認(rèn)為具有超低耗損的特性，能傳輸更寬的光譜，是長(zhǎng)距離通訊優(yōu)質(zhì)之選。

遺憾的是，在地球上生產(chǎn)氟化物光纖很困難，成品的效果也不理想。在生產(chǎn)這種光纖時(shí)，需要先把玻璃原料加熱至300℃，然后再?gòu)?0～20米的高處向下拉伸，把這團(tuán)變軟的玻璃拉成長(zhǎng)條，變成光纖的樣子。由于空間和重力的限制，光纖的長(zhǎng)度可能最多只能拉到700米，而且玻璃會(huì)在重力作用下形成結(jié)晶或者沉淀。雖說(shuō)我們可以把多條光纖連接起來(lái)增加距離，但是連接處會(huì)丟失信號(hào)，光纖里的沉淀和結(jié)晶又會(huì)削弱信號(hào)的強(qiáng)度，最終的通訊效果大打折扣。這款光纖也因?yàn)樵靸r(jià)高昂，材質(zhì)較“脆弱”，效果還不盡人意，目前還未能被投入商業(yè)市場(chǎng)。

后來(lái)科研人員發(fā)現(xiàn)，在零重力環(huán)境中制造氟化物光纖，可以避免上述種種問(wèn)題。在太空廣袤的空間里，可以使用更大的玻璃塊，輕易就能拉扯出幾千米長(zhǎng)的光纖；另一方面，沒(méi)有了重力的影響，光纖中不再輕易出現(xiàn)沉淀或結(jié)晶。從成品上看，太空制造的光纖更長(zhǎng)，內(nèi)部也更清澈。這意味著在傳輸過(guò)程中信號(hào)的損失更少，信號(hào)延遲的情況也得到極大的改善。

目前，美國(guó)一家公司已經(jīng)向國(guó)際空間站發(fā)射了制作氟化物光纖的材料和設(shè)備，在抵達(dá)空間站后，制作裝置會(huì)開(kāi)始制造這款太空光纖，完成后會(huì)隨返航的太空艙一起回到地球。如果后續(xù)的測(cè)試情況良好，這款光纖可能會(huì)在短期內(nèi)被投入生產(chǎn)并開(kāi)始銷(xiāo)售。

將污染工業(yè)遷離地球

利用低重力環(huán)境來(lái)進(jìn)行3D打印或是制造高質(zhì)量光纖，都只是太空制造的好處之一。太空制造還有一個(gè)非常明顯的好處，就是可以讓地球免受生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的有毒廢物的污染。

砷化鎵是目前制造優(yōu)良太陽(yáng)能電池板的首選材料，它能將40%的光轉(zhuǎn)化成能量，這個(gè)轉(zhuǎn)化率是主流硅基光伏電池板的兩倍。但是生產(chǎn)砷化鎵時(shí)，會(huì)遺留下許多有毒的化合物。

在20世紀(jì)90年代，美國(guó)休斯頓大學(xué)材料科學(xué)家亞力克斯·伊格納季耶夫首次于太空真空環(huán)境中制造出了一種砷化鎵半導(dǎo)體，經(jīng)評(píng)估，這種太空制造的半導(dǎo)體質(zhì)量比地球制造要好上一萬(wàn)倍。這是因?yàn)樵友酰ㄒ话阊鯕馐怯袃蓚€(gè)氧原子組成，而近地軌道上氧是以單個(gè)氧原子形式存在的，化學(xué)性能非常活潑）和真空環(huán)境讓這個(gè)化合物能夠整齊地排列在一原子高的層面，再層層堆疊，中途還不會(huì)變形扭曲。

沒(méi)有變形扭曲是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)砷化鎵的重要條件，理論上，無(wú)缺陷的砷化鎵太陽(yáng)能板可以達(dá)到60%的能量轉(zhuǎn)化率。

伊格納季耶夫設(shè)想，在太空中直接制造出高質(zhì)量的太陽(yáng)能板，然后再將數(shù)千米長(zhǎng)的砷化鎵太陽(yáng)能板排列在軌道上，用來(lái)收集太陽(yáng)的能量，再通過(guò)微波將這些能量發(fā)射回地球，供我們使用。然而制作砷化鎵時(shí)會(huì)產(chǎn)生不少有毒物質(zhì)，人們擔(dān)心太空工廠會(huì)對(duì)太空造成污染，進(jìn)而使近地軌道上漂滿(mǎn)太空垃圾或有毒廢料。

幸運(yùn)的是，太空有獨(dú)特的能力來(lái)分解有害殘留物。我們除了有地球大氣層的保護(hù)之外，太陽(yáng)中的紫外線輻射可以幫助分解危險(xiǎn)的分子，再將這些成分無(wú)害地分散出去。雖然我們的星球是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，但是太空是一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，這個(gè)環(huán)境對(duì)大多數(shù)分子而言都具有強(qiáng)烈的腐蝕性，在太空的真空環(huán)境里，這些分子要么分裂要么蒸發(fā)。

基于這個(gè)情況，科學(xué)家產(chǎn)生了將有毒生產(chǎn)從地球轉(zhuǎn)移至太空的想法。他們認(rèn)為，出于環(huán)保需要，我們可以在太空中建立“巨型芯片工廠”，用以制造像半導(dǎo)體這類(lèi)重污染產(chǎn)品，屆時(shí)，污染生產(chǎn)可以完全從地球上消失。