空間微重力經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景

文｜劉潔 李明 谷巍

1.中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)集團(tuán)有限公司

2.中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部

2022 年6 月，麥肯錫公司發(fā)布《微重力的潛力：各行業(yè)如何投資航天》報(bào)告[1]，對(duì)空間微重力的地面應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)前景進(jìn)行了分析。報(bào)告結(jié)論認(rèn)為，制藥、美容與個(gè)人護(hù)理、食品與營(yíng)養(yǎng)、半導(dǎo)體等行業(yè)在利用空間微重力環(huán)境開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、提升產(chǎn)品性能和縮短研發(fā)周期等方面預(yù)計(jì)將取得重大突破、產(chǎn)生顯著應(yīng)用效果，具有創(chuàng)造出數(shù)十億美元地面市場(chǎng)價(jià)值的巨大潛力。隨著進(jìn)入低地球軌道空間的成本持續(xù)降低，商業(yè)空間微重力資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益活躍，眾多行業(yè)開(kāi)展空間微重力研發(fā)活動(dòng)的可行性持續(xù)提高，當(dāng)空間微重力應(yīng)用成本降到一定范圍內(nèi)時(shí)，其地面應(yīng)用市場(chǎng)將得以徹底打開(kāi)。麥肯錫公司根據(jù)目前低軌商業(yè)微重力資源的建設(shè)進(jìn)度判斷，2030 年前空間微重力經(jīng)濟(jì)的商業(yè)模式將得以建立，并形成可觀的市場(chǎng)規(guī)模。

一、空間環(huán)境的特質(zhì)

一般來(lái)說(shuō)，空間環(huán)境是指地球大氣層以外的宇宙空間環(huán)境?？臻g環(huán)境特別復(fù)雜，甚至不可預(yù)測(cè)，與地面環(huán)境有很大不同。典型的地球軌道空間環(huán)境主要包括真空、微重力、粒子、太陽(yáng)輻射、地球反射和地球紅外輻射等。[2]

由于地球軌道空間環(huán)境具有提供長(zhǎng)期微重力、強(qiáng)輻射和高真空條件的特質(zhì)，地面耗資巨大也難以模仿和復(fù)制，為科學(xué)研究和制造活動(dòng)取得突破與創(chuàng)新成果提供了寶貴機(jī)會(huì)。

1．微重力

微重力環(huán)境的定義為：在重力的作用下，系統(tǒng)的表觀重量遠(yuǎn)小于其實(shí)際重量的環(huán)境。對(duì)于航天器內(nèi)的環(huán)境來(lái)說(shuō)，由于飛行過(guò)程中航天器所受的慣性加速度與地球引力加速度相平衡，此時(shí)即可視為是微重力狀態(tài)。不同航天器（軌道高度、載人與否）干擾力的影響不同，因此微重力量級(jí)也不同，正常情況可達(dá)到10-3～10-6g，即地球表面重力加速度的千分之一到百萬(wàn)分之一。[3]

大量實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的特性會(huì)隨著重力變化而改變。例如，活細(xì)胞在感知到重力減弱后，新陳代謝受到影響；而無(wú)機(jī)物在重力消失后浮力狀態(tài)也會(huì)改變。

2．強(qiáng)輻射

在近地軌道空間環(huán)境中，電離輻射為400 ～10000Gy/y，電磁輻射為1367W/m2，強(qiáng)度比地面高15 ～650 倍。放射性離子可導(dǎo)致生物體細(xì)胞內(nèi)的DNA 斷裂，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞突變，使生物體的形態(tài)、生長(zhǎng)速率和基因表達(dá)發(fā)生改變。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）指出，人類在空間居住超過(guò)6 個(gè)月受到的輻射為50 ～200000mSv，相同時(shí)間在地面受到的輻射為620mSv。

3．高真空

真空是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，離地面200 ～500km 的近地軌道空間為真空度10-4Pa 的高真空。而在高真空環(huán)境中，有機(jī)物活細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)脫水和滲透膜破裂現(xiàn)象，無(wú)機(jī)物在化合時(shí)氣體引入雜質(zhì)的幾率大大降低。

二、空間微重力在典型領(lǐng)域的應(yīng)用前景

據(jù)麥肯錫統(tǒng)計(jì)，標(biāo)題或摘要中“微重力”的專利數(shù)量從2000 年的21 項(xiàng)激增到2020 年的155項(xiàng)。制藥、美容與個(gè)人護(hù)理、食品與營(yíng)養(yǎng)、半導(dǎo)體等四個(gè)行業(yè)通過(guò)與航天企業(yè)合作，有望在空間微重力環(huán)境中開(kāi)展空間實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)），取得重大技術(shù)突破，甚至發(fā)明新產(chǎn)品。由此將顯著提高行業(yè)總體收入，創(chuàng)造數(shù)億美元甚至數(shù)十億美元的收入增長(zhǎng)?？臻g微重力研發(fā)帶動(dòng)典型行業(yè)收入增長(zhǎng)預(yù)測(cè)見(jiàn)圖1。

圖1 空間微重力研發(fā)帶動(dòng)典型行業(yè)收入增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

1．制藥

據(jù)麥肯錫公司統(tǒng)計(jì)，制藥行業(yè)每年的研發(fā)支出達(dá)2800 億美元，此外與從事臨床試驗(yàn)的合同外包服務(wù)企業(yè)的合作支出約為800 億美元。如果航天企業(yè)能夠提高創(chuàng)新成果回報(bào)收益、提高化合物開(kāi)發(fā)成功率或縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，則可從中獲得研發(fā)經(jīng)費(fèi)。部分潛在應(yīng)用如：

1）用于疾病預(yù)測(cè)模型的細(xì)胞培養(yǎng)。傳統(tǒng)的通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)細(xì)胞建立疾病模型的做法已經(jīng)非常普遍，但現(xiàn)階段科學(xué)家在積極致力于研究空間微重力環(huán)境和空間輻射對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)模式和基因表達(dá)帶來(lái)的變化及影響。

2）類器官?？茖W(xué)家在地面實(shí)驗(yàn)室需要耗費(fèi)漫長(zhǎng)時(shí)間和大量資源在非常復(fù)雜的三維支架上培養(yǎng)類器官，用于醫(yī)學(xué)研究。學(xué)術(shù)界和航天機(jī)構(gòu)在近年的合作研究中發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們?cè)跓o(wú)人值守的軌道飛行任務(wù)中，在沒(méi)有支架的情況下，從胚胎干細(xì)胞培育出了成熟度更高的類器官。科學(xué)家甚至還設(shè)想在空間環(huán)境中基于特定成體干細(xì)胞來(lái)培養(yǎng)類器官，而這在地面無(wú)論如何也不能實(shí)現(xiàn)。

3）藥物研發(fā)。腫瘤藥物是制藥行業(yè)最大的產(chǎn)品組，開(kāi)發(fā)難度高，風(fēng)險(xiǎn)—回報(bào)率非常差。如果制藥企業(yè)能夠在空間腫瘤藥物研發(fā)方面取得突破，將有可能提高藥物研發(fā)成功率，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，確定藥物研發(fā)的新目標(biāo)。麥肯錫公司的一項(xiàng)分析表明，通過(guò)空間微重力環(huán)境開(kāi)發(fā)的一款腫瘤新藥可為制藥公司帶來(lái)12 億美元的平均凈現(xiàn)值。

空間制藥領(lǐng)域還在對(duì)空間視網(wǎng)膜制造技術(shù)等方面進(jìn)行嘗試。麥肯錫基于對(duì)空間制藥的設(shè)想應(yīng)用進(jìn)行預(yù)測(cè)，認(rèn)為制藥企業(yè)每年將可以從太空制藥獲得28 億到42 億美元的收入。

2．美容與個(gè)人護(hù)理

在美容和個(gè)人護(hù)理領(lǐng)域，皮膚護(hù)理有望首先開(kāi)展空間應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2025 年，皮膚護(hù)理將占行業(yè)收入的34%（約2080 億美元）。隨著消費(fèi)者更加關(guān)注有科學(xué)數(shù)據(jù)支持的產(chǎn)品，皮膚護(hù)理領(lǐng)域研發(fā)支出規(guī)模將快速增長(zhǎng)，其中優(yōu)質(zhì)護(hù)膚品研發(fā)和活性成分生產(chǎn)兩個(gè)領(lǐng)域最為突出。

優(yōu)質(zhì)護(hù)膚品收入預(yù)計(jì)在2024 年前保持高達(dá)13%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)2025 年收入達(dá)到930億美元。空間強(qiáng)輻射環(huán)境可加速衰老，因此在空間環(huán)境的研發(fā)活動(dòng)有望開(kāi)啟對(duì)皮膚護(hù)理的新發(fā)現(xiàn)，還將有助于產(chǎn)品推銷。

另一個(gè)重要領(lǐng)域是涉及維生素、視黃醇等護(hù)膚產(chǎn)品活性成分的研發(fā)與生產(chǎn)，該領(lǐng)域每年研發(fā)投入保持在4.6 億美元的穩(wěn)定規(guī)模，預(yù)計(jì)將以高達(dá)19%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增加，在2025 年創(chuàng)造15 億美元的收入。空間微重力環(huán)境可降低沉降率并減少浮力的影響，使不同物質(zhì)更容易化合，利于護(hù)膚品公司研發(fā)和生產(chǎn)活性成分?？茖W(xué)研究表明，在空間培養(yǎng)的酵母具有較高的生長(zhǎng)速率和代謝產(chǎn)物，可以提高護(hù)膚產(chǎn)品效果。

3．食品與營(yíng)養(yǎng)品

人用營(yíng)養(yǎng)品市場(chǎng)規(guī)模約10 萬(wàn)億美元，其中保健品的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)到2025 年將達(dá)到170 億美元。益生菌是保健品中適合空間微重力開(kāi)發(fā)的良好選擇。隨著消費(fèi)者對(duì)保持身體健康和提高免疫力的關(guān)注增加，益生菌的受歡迎程度持續(xù)提升，在食品配料行業(yè)中的研發(fā)支出占比高達(dá)30%，位居首位。

在空間微重力環(huán)境下，益生菌的生長(zhǎng)和代謝表達(dá)與地面不同，空間實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)）可以幫助科學(xué)家更好地了解環(huán)境對(duì)益生菌的影響，發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)出新的益生菌，以提高益生菌產(chǎn)品的功效。麥肯錫公司的研究表明，發(fā)現(xiàn)有益健康的新型益生菌菌株可帶來(lái)1 億美元甚至更高的商業(yè)價(jià)值。微生物在空間微重力懸浮液中可能生長(zhǎng)更快，因此利用空間環(huán)境提高益生菌產(chǎn)量的研究也具有潛在價(jià)值。

4．半導(dǎo)體

半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模龐大，預(yù)計(jì)2025 年市場(chǎng)銷售額達(dá)到7250 億美元，屆時(shí)研發(fā)支出預(yù)計(jì)高達(dá)900 億美元。

在空間制造半導(dǎo)體可以利用真空環(huán)境，促進(jìn)薄層技術(shù)創(chuàng)新。如果科學(xué)家能夠利用空間環(huán)境研制出尺寸更小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，那將會(huì)創(chuàng)造出巨大的市場(chǎng)收入。2020 年，NASA 曾通過(guò)“國(guó)際空間站”微重力商業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目資助Made In Space 公司開(kāi)展空間低成本、規(guī)?；灾髦圃旄咂焚|(zhì)芯片的能力研究。麥肯錫公司認(rèn)為，在太空中進(jìn)行大規(guī)模、低成本的半導(dǎo)體制造可能需要十年或更長(zhǎng)的時(shí)間。

三、美國(guó)率先推動(dòng)空間微重力商業(yè)活動(dòng)從政府牽引向私營(yíng)主導(dǎo)過(guò)渡

NASA為牽引開(kāi)發(fā)空間微重力環(huán)境的商業(yè)價(jià)值，于2012 年開(kāi)始發(fā)布《征求驗(yàn)證探測(cè)技術(shù)和提高國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用率的提案》，為利用“國(guó)際空間站”開(kāi)發(fā)空間微重力的商業(yè)價(jià)值征集研究項(xiàng)目并提供經(jīng)費(fèi)支持。NASA 根據(jù)研究項(xiàng)目技術(shù)和市場(chǎng)成熟度的高低確定資金支持力度，對(duì)于成熟度低、處于概念研究和探索階段的項(xiàng)目給予全部經(jīng)費(fèi)支持，對(duì)于技術(shù)成熟度和市場(chǎng)成熟度均達(dá)到9 級(jí)、具備進(jìn)入市場(chǎng)條件的研究項(xiàng)目甚至要求企業(yè)自籌高達(dá)80%的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。[4]

隨著空間微重力研發(fā)活動(dòng)的市場(chǎng)價(jià)值得到實(shí)現(xiàn)和認(rèn)可，商業(yè)公司對(duì)空間微重力環(huán)境的需求日漸明確。為進(jìn)一步推進(jìn)空間微重力資源的商業(yè)化進(jìn)程，NASA 于2019 年發(fā)布了《低軌商業(yè)化發(fā)展計(jì)劃》，進(jìn)一步向美國(guó)企業(yè)開(kāi)放“國(guó)際空間站”資源，對(duì)微重力資源及服務(wù)實(shí)施明碼標(biāo)價(jià)，并制定了從NASA主導(dǎo)開(kāi)發(fā)低軌微重力資源逐步過(guò)渡到商業(yè)航天具備提供空間微重力資源的能力并最終向NASA 提供服務(wù)的發(fā)展路線圖。[5-6]

2022 年11 月21 日，美國(guó)山脈航天公司（Sierra Space）首席執(zhí)行官在美國(guó)航天新聞（SpaceNews）網(wǎng)站發(fā)布署名文章《低軌正在經(jīng)歷人類有史以來(lái)最深刻的工業(yè)革命》聲稱：在政府和私營(yíng)航天企業(yè)的共同努力下，人類長(zhǎng)期駐留低軌空間的“軌道時(shí)代”即將到來(lái)，帶來(lái)萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，成為人類有史以來(lái)最深刻的工業(yè)變革，低軌微重力、強(qiáng)輻射和高真空環(huán)境的商業(yè)化應(yīng)用將創(chuàng)造出巨大的商業(yè)價(jià)值。

美國(guó)山脈航天公司、公理航天公司（Axiom Space）、納型支架公司（Nanoracks）等商業(yè)航天企業(yè)通過(guò)參與“國(guó)際空間站”項(xiàng)目計(jì)劃逐漸建立各自的空間艙段和商業(yè)空間站，為美國(guó)政府部門(mén)和各行各業(yè)提供豐富的空間微重力資源。山脈航天公司計(jì)劃2023 年開(kāi)始實(shí)施追夢(mèng)者航天飛機(jī)訪問(wèn)“國(guó)際空間站”的任務(wù)，在4 年內(nèi)完成可延展的空間艙段部署，未來(lái)將開(kāi)展空間制造業(yè)務(wù)。[7]公理航天公司計(jì)劃于2025 年發(fā)射該公司首個(gè)空間站艙段，于2031 年建成商業(yè)空間站。該公司稱已經(jīng)簽署價(jià)值20 億美元的訂單，其中已經(jīng)收到客戶4 億美元付款。[8]納型支架公司已經(jīng)積累10 余年空間微重力服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)劃于2024 年開(kāi)始發(fā)射前哨（outpost）軌道平臺(tái)，開(kāi)展空間制造業(yè)務(wù)。[9]

四、結(jié)語(yǔ)

空間微重力資源的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用始于政府主導(dǎo)的大型工程項(xiàng)目，并由政府通過(guò)向社會(huì)開(kāi)放空間微重力資源，倡導(dǎo)和牽引傳統(tǒng)地面行業(yè)在空間微重力環(huán)境開(kāi)展研究與創(chuàng)新，鼓勵(lì)將成果轉(zhuǎn)化為地面示范項(xiàng)目，形成應(yīng)用價(jià)值，帶領(lǐng)社會(huì)各行業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到空間微重力的應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，促進(jìn)更廣泛的社會(huì)資源參與空間微重力資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，建立商業(yè)模式，打造空間微重力經(jīng)濟(jì)形態(tài)。

隨著進(jìn)入空間的成本逐漸降低和空間微重力資源日益豐富，政府主導(dǎo)的空間微重力科研活動(dòng)將逐漸過(guò)渡為企業(yè)主導(dǎo)的空間微重力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。