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太空制造不再是幻想,谁搞定了它就搞定了未来

永安新闻网-探索 来源:今天你改变自己没 时间:17-05-12 147条评论

太空制造不再是幻想,谁搞定了它就搞定了未来

人造心脏、特种光纤、高效太阳能面板。太空制造正在展现它诱人的前景。

以低成本著称的私营航天公司可能开辟一个全新的制造领域。Bigelow Aerospace声称,其可扩展的太空栖息地(如图)可以作为绕地轨道上的工厂。

2016年夏天,在墨西哥湾上空,一架飞机急剧爬升,然后从近万米的高度高速俯冲,那种五脏六腑翻江倒海的感觉可想而知。

这不是为了寻求刺激,而是有着现实意义。

这种抛物线飞行会让飞机上的人和物进入模拟失重状态,每次持续大约25秒。其间,一台高科技打印机用心脏干细胞作原料,打印出一个简化版的两腔室婴儿心脏结构。

能想出这样的办法来制作人造器官,不得不让我们佩服,但这还只是一个小小的进步而已。

还有一个更大胆的目标要实现。nScrypt(干细胞打印机制造商)、Bioficial Organs(生物墨水供应商)和Techshot(这项心脏实验的设计者)计划在2019年到国际空间站上打印心脏补片。打印机将搭乘商用火箭升空。

Blue Origin和SpaceX等私营宇航公司的举起,使得太空运输成本急剧下降。现在,每千克物资的运输成本约为5000美元,而以前高达3万美元。

因此,越来越多的企业家和研究人员想通过这种更加廉价的途径,利用地球低轨道的独特性质(包括真空、失重、无限的太阳能和极端温度)来进行制造。他们的实验已经推动了医学、技术和材料科学方面的创新。

最终,如果成功的话,太空制造将重塑我们的生产方式。

“更愉快”的心

眼下,心脏移植患者需要花费很长时间才能等到一颗适的心脏。即使有了新的心脏,患者也需要在余生中始终使用免疫抑制剂,以免身体排斥这个外来器官。而用患者自身干细胞打印的心脏可以更快地为患者所用,并且遭到免疫排斥的几率更低,也能够完全按照患者原来的心脏尺寸定制。

太空制造不再是幻想,谁搞定了它就搞定了未来

在“vomit comet”飞机提供的模拟失重环境中,公司已经成功地用3D打印技术打印出很小的心脏结构

但在地球上打印心脏时,重力是个大问题。为了让打印用的生物墨水生长,干细胞和营养物质构成的培养基必须具有水的稠度,以确保细胞行动自如,结合成健康的心脏组织。由于这种水的稠度,想在地球上打印出心脏的话,支撑结构必不可少。

“心脏实际上就是被肌肉包裹的四个空腔,”Techshot首席科学家尤金·波兰德(Eugene Boland)说。不幸的是,科学家还没有发明一种干细胞生长支架,能够在不损伤新生器官的前提下移除或者溶解。

而在太空中打印器官时,Techshot认为不必使用支架就能长出完整的心脏。

“如果在地球上打印心脏,大概也就能正常维持一秒钟,然后立刻融化,流得满桌子都是,”波兰德说,“就像你把果冻倒入模子,然后立刻端给客人。它会在盘子里融成一滩。”

但在失重环境中,心脏不需要支架也能维持其形状。一个原因是低重力使打印3D形状更具方向性。

在地球上打印心脏这样复杂的3D物体时,实际上是平面材料一层层叠加而成,这个过程非常耗时。nScrypt首席执行官肯尼斯·彻奇(Kenneth Church)把这称为“2.5D”。而在失重环境中,物体是以真正的3D方式被打印出来,速度提高100倍。

太空制造不再是幻想,谁搞定了它就搞定了未来

在模拟失重环境中工作的3D打印机

在去年7月的那次模拟失重飞行期间,在机舱恢复重力后的短短一分钟内,nScrypt和Techshot打印出来的第一个心脏结构就减少了一半高度。如果是在国际空间站上,失重环境应该能够让干细胞在长成心脏组织的过程中一直维持形状。波兰德估计,在培养过程开始大概45天后,太空造器官就可以回归地球。

彻奇认为,这一项目能同时破除对3D打印的盲目吹捧和失望之情。他说:“人们已经厌倦了3D打印的人偶模型。他们说‘你答应的心呢,在哪里?’我要告诉他们的是‘在太空。’”

非同一般的光纤公司

美国宇航局(NASA)太空门户办公室物理学家伊奥娜·科兹木塔(Ioana Cozmuta)评估了数以百计的太空相关技术。她的工作是寻找和审查想在太空做生意的潜在合作伙伴。

“我的目标是创造商业太空领域的成功故事,”她说,“但我不得不与夸张的宣传作斗争。”

商业太空领域既诱人又危险,科兹木塔的职责之一就是应对该领域导致的失望之情。

众多的爆炸事件表明,极端复杂的火箭科学会导致代价高昂的错误,即使是大名鼎鼎的企业家伊隆·马斯克(Elon Musk)也无法避免。

维珍集团掌门人理查德·布兰森(Richard Branson)曾在2008年预测,太空旅游将在2010年年中实现。然后,这一期限被推迟到2013年圣诞节,后来又推迟到2014年圣诞节,但因为试飞期间的一次致命事故而再次延后。

太空充满挑战性,即便是对世界上最聪明、最富有的商人来说也是如此。科兹木塔为NASA太空门户办公室评估了数百家公司,她必须小心提防那些被描绘得天花乱坠,实际上却漏洞百出的太空商业计划。

美国南加州的FOMS公司已经赢得资助,明年将开始在国际空间站上制造东西。这家公司之所以能赢得资助,部分原因在于他们的项目拥有坚实的经济基础。FOMS首席科学家迪米特里·斯塔罗杜波夫(Dmitry Starodubov)决定放弃在太空中开采铂金等稀有金属的想法。

目前,每千克铂金的售价高达3万美元,但在他看来,这还是不足以使太空采矿有利可图。“我们的模型显示,哪怕月亮完全由铂金构成,在月亮上开采铂金并运回地球仍然不具有商业可行性。”

FOMS把目光对准了更轻、单位重量价值更高的东西:特种光纤。普通光纤的价格为每千克3000至5000美元。而特种光纤能够传输更多数据,且能耗更低,因而数据传输成本更低,是最昂贵的光纤,每千克售价高达几百万美元。这种价值重量比使人们甘愿承担太空制造的成本和风险。

在零重力环境中制造的光纤(左)比在地球重力环境中制造的光纤(右)更加清澈得多。这意味着损失的信号更少,传输的数据更多,所需的能耗和成本更低。

像ZBLAN这样的特种光纤也可以在地球上生产,但做起来并不容易。正常的生产过程涉及到把专用玻璃原料加热到300摄氏度以上,然后从10至20米高的落塔上向下拉伸,如同把一块口香糖拉成一根长条。但玻璃团的大小限制了光纤的长度,最多700米左右,而企业是希望能越长越好,因为连接点会导致信号损失。另外,重力导致光纤的透明结构中出现沉淀,由此造成的瑕疵会减弱信号强度。

因此,斯塔罗杜波夫打算在国际空间站上制作光鲜,无论是质量还是数量都能远远超过地球上的水平。“从理论上讲,能在24小时内拉出数百公里长的光纤,”科兹木塔说。在没有重力的环境中,不会出现令人讨厌的结晶。

虽然ZBLAN光纤在地球上很难生产,但研究人员对这种材料很感兴趣,因为它能传输的光谱范围比硅大得多,包括紫外线和深红外线。

这有助于创造新的技术,比如紫外线激光手术器械、红外线护眼生产工具和更好的热追踪导弹反制措施。它也可以使宽带“更宽”:据科兹木塔估计,与目前的硅基光纤相比,在太空制造的ZBLAN光纤可以使宽带信号强度损耗减少100倍。它还可以降低数据传输成本,因为同样多的数据可以传输更远的距离,且能耗更低,所需的传输设备更便宜。

光纤线轴如何回到地球?“你可以用SpaceX的飞船把它们带回来。”科兹木塔说。

和污染说再见

在太空制造的一些材料不需要返回地球就能帮助我们,比如一种名叫砷化镓的化合物。

制备一个直径8英寸的砷化镓晶片需要花费5000美元,而且在生产过程中会产生很多有毒副产品(砒霜)。但用砷化镓能做出更好的太阳能面板,光电转化率可达40%,而在地球上被广泛使用的晶硅面板只有15%至20%的转化率。

上世纪90年代,休斯顿大学材料科学家亚历克斯·伊格纳提夫(Alex Ignatiev)在NASA尾迹屏罩装置的真空环境中,首次制造出一个砷化镓半导体。这个太空造半导体的品质比在地球上制造的半导体好100倍。那是因为原子氧和真空环境使砷化镓整齐地叠加到几百或几千层,不会出现任何歪曲变形,从而提高了其利用太阳能的效率。在理论上,没有缺陷的砷化镓可以使光电转化率达到60%。

伊格纳提夫设想在太空轨道上部署千米宽的砷化镓面板阵列,通过微波方式,把收集到的太阳能传回地球。为了大幅降低成本,伊格纳提夫希望在太空组装太阳能电池,而不是先在地球上生产易碎的面板,然后分批多次送入太空。

与普通的晶硅面板相比,由砷化镓制成的太阳能面板拥有更高的光电转化率。不过,生产砷化镓会产生有毒副产品。在太空中生产面板不仅可以减少这些有害副作用,还能使面板更高效

“在地球同步轨道上,面板始终对着太阳,然后把太阳能传回地球。”他说。地面上的网状接收器会接收微波信号。微波信号会分散开来,以免对飞机、鸟类、作物和牲畜造成伤害。

没人希望看到地球低轨道变成漂浮着有毒废物的垃圾场。幸好,太空拥有分解有毒残留物的独特能力。在地球大气层之外,太阳发出的紫外线辐射可以分解危险的分子,其成分会无害地散尽。

“我们的星球是一个封闭的系统,而太空是一个开放的环境,对大多数分子都非常不利,”伊格纳提夫说,“它们要么被分解,要么被真空环境汽化。”

这种把有毒生产搬出地球的想法,与亚马逊和Blue Origin创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)的观点一致。他说:“到太空去拯救地球。”他说,出于环保原因,我们需要“在太空修建巨大的芯片厂”,把生产半导体这样的脏活儿彻底搬出地球。

虽然电子产品光鲜夺目,但生产电脑芯片确实是脏活儿。按照科兹木塔的估计,生产一块12英寸集成电路需要耗费8328升水,用于清洗和冷却芯片。2015年,人类生产了9000亿块这样的集成电路。尽管采取了废水处理措施,但在2003年至2013年期间,美国半导体公司被发现了1万起环境违法行为。如果把冰冷的宇宙真空环境作为冷却剂,谁还需要水呢?

太空制造

尽管前景诱人,但太空制造耗资巨大,而且风险很高。生命财产损失几乎不可避免。但这并不意味着太空制造行不通。在失重状态下成功打印出心脏后,波兰德说:“这是个惊喜。飞机上的那些家伙高兴得翻来翻去,是真的凌空翻滚。”

彻奇所想的远远不只是在国际空间站上打印心脏。如果他们能显著加快生产速度,那么真正3D打印的优势将使太空打印可以和地球上的大型制造商竞争。伊格纳提夫设想的千米宽太空造砷化镓太阳能面板就是一个例子,但同样的原理也适用于卫星甚至宇宙飞船。

“我希望在太空中打印一切,”彻奇说,“我希望在太空中打印火箭。”

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(责任编辑:网络小编)

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