前景誘人的太空制造

金凌

由于私營航天公司的快速發展，人們使用商業火箭向太空運輸貨物和設備的價格大大降低。越來越多的企業家和科研人員得以利用近地軌道的獨特條件進行制造研究，這些條件包括真空、微重力、純粹的太陽能和極端溫度。新的實驗環境刺激了現代醫學、技術和材料科學的創新，可以預見太空制造會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。這并不是為了體驗刺激或是拍攝電影，而是為了模擬失重環境，讓其中的高科技打印機可以將心臟干細胞打印成簡易的嬰兒心臟組織。

這項瘋狂實驗是3D打印心臟項目中的重要一步，實驗成功后，參與項目的公司預計將在2019年之前，通過商業火箭把高科技打印機送上國際空間站，在上面打印出能跳動的心臟補丁。

傳統的心臟移植確實能有效地救助病人，只不過病人需要終身服用免疫抑制藥物，以免出現移植排斥反應，還要遵守一系列“能做”或“不能做”的規則禁忌。如果我們能從患者自己的干細胞中培養出一個心臟，這不僅能降低排斥的風險，患者也無需苦苦等待合適捐贈者的出現。

為什么一定要去太空中打印心臟呢？原來是因為科學家發現在有重力的環境里，打印器官可是一個大難題。

科學家規劃的理想實驗是這樣的：打印機將其中的心臟干細胞初步打印成型，剛打印出來的組織還不能立刻使用，需要經過一段時間的培養；接下來科學家會把這個組織放進粘稠的液體培養基和營養液中，讓它繼續生長一段時間。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，最后再讓他們生長融合在一起。這是因為目前我們的3D打印技術并不能“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，變成3D的樣子。

問題的關鍵就是地球上的重力作用，它不僅限制了3D打印技術，還會讓剛打印出來的組織會在數秒內坍塌變形，無法維持住完美的成品狀態。為了讓組織能保持結構并順利生長，我們需要搭建一個支架，既能支撐住生長中的干細胞，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，科學家至今都未能設計出這樣的理想支架。

在地球上打印器官困難重重，科學家不由得把目光投向了太空。在近地軌道虛擬的“零重力”環境里，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構和形態，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，這個成品會長成功能齊全的心臟組織，屆時，便將它可以運回地球投入使用。

更高效的太空光纖

光纖是應用廣泛的光傳導工具，多被用為通訊傳輸材料。光纖的種類很多，其中有一種是氟化物光纖，由氟化物玻璃制成，被認為具有超低耗損的特性，能傳輸更寬的光譜，是長距離通訊優質之選。

遺憾的是，在地球上生產氟化物光纖很困難，成品的效果也不理想。在生產這種光纖時，需要先把玻璃原料加熱至300℃，然后再從10～20米的高處向下拉伸，把這團變軟的玻璃拉成長條，變成光纖的樣子。由于空間和重力的限制，光纖的長度可能最多只能拉到700米，而且玻璃會在重力作用下形成結晶或者沉淀。雖說我們可以把多條光纖連接起來增加距離，但是連接處會丟失信號，光纖里的沉淀和結晶又會削弱信號的強度，最終的通訊效果大打折扣。這款光纖也因為造價高昂，材質較“脆弱”，效果還不盡人意，目前還未能被投入商業市場。

后來科研人員發現，在零重力環境中制造氟化物光纖，可以避免上述種種問題。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的光纖；另一方面，沒有了重力的影響，光纖中不再輕易出現沉淀或結晶。從成品上看，太空制造的光纖更長，內部也更清澈。這意味著在傳輸過程中信號的損失更少，信號延遲的情況也得到極大的改善。

目前，美國一家公司已經向國際空間站發射了制作氟化物光纖的材料和設備，在抵達空間站后，制作裝置會開始制造這款太空光纖，完成后會隨返航的太空艙一起回到地球。如果后續的測試情況良好，這款光纖可能會在短期內被投入生產并開始銷售。

將污染工業遷離地球

利用低重力環境來進行3D打印或是制造高質量光纖，都只是太空制造的好處之一。太空制造還有一個非常明顯的好處，就是可以讓地球免受生產環節中產生的有毒廢物的污染。

砷化鎵是目前制造優良太陽能電池板的首選材料，它能將40%的光轉化成能量，這個轉化率是主流硅基光伏電池板的兩倍。但是生產砷化鎵時，會遺留下許多有毒的化合物。

在20世紀90年代，美國休斯頓大學材料科學家亞力克斯·伊格納季耶夫首次于太空真空環境中制造出了一種砷化鎵半導體，經評估，這種太空制造的半導體質量比地球制造要好上一萬倍。這是因為原子氧（一般氧氣是有兩個氧原子組成，而近地軌道上氧是以單個氧原子形式存在的，化學性能非常活潑）和真空環境讓這個化合物能夠整齊地排列在一原子高的層面，再層層堆疊，中途還不會變形扭曲。

沒有變形扭曲是生產優質砷化鎵的重要條件，理論上，無缺陷的砷化鎵太陽能板可以達到60%的能量轉化率。

伊格納季耶夫設想，在太空中直接制造出高質量的太陽能板，然后再將數千米長的砷化鎵太陽能板排列在軌道上，用來收集太陽的能量，再通過微波將這些能量發射回地球，供我們使用。然而制作砷化鎵時會產生不少有毒物質，人們擔心太空工廠會對太空造成污染，進而使近地軌道上漂滿太空垃圾或有毒廢料。

幸運的是，太空有獨特的能力來分解有害殘留物。我們除了有地球大氣層的保護之外，太陽中的紫外線輻射可以幫助分解危險的分子，再將這些成分無害地分散出去。雖然我們的星球是一個封閉的系統，但是太空是一個開放的環境，這個環境對大多數分子而言都具有強烈的腐蝕性，在太空的真空環境里，這些分子要么分裂要么蒸發。

基于這個情況，科學家產生了將有毒生產從地球轉移至太空的想法。他們認為，出于環保需要，我們可以在太空中建立“巨型芯片工廠”，用以制造像半導體這類重污染產品，屆時，污染生產可以完全從地球上消失。