空間微重力經濟發展前景

文｜劉潔 李明 谷巍

1.中國長城工業集團有限公司

2.中國空間技術研究院衛星應用總體部

2022 年6 月，麥肯錫公司發布《微重力的潛力：各行業如何投資航天》報告[1]，對空間微重力的地面應用潛力和經濟前景進行了分析。報告結論認為，制藥、美容與個人護理、食品與營養、半導體等行業在利用空間微重力環境開發新產品、提升產品性能和縮短研發周期等方面預計將取得重大突破、產生顯著應用效果，具有創造出數十億美元地面市場價值的巨大潛力。隨著進入低地球軌道空間的成本持續降低，商業空間微重力資源開發活動日益活躍，眾多行業開展空間微重力研發活動的可行性持續提高，當空間微重力應用成本降到一定范圍內時，其地面應用市場將得以徹底打開。麥肯錫公司根據目前低軌商業微重力資源的建設進度判斷，2030 年前空間微重力經濟的商業模式將得以建立，并形成可觀的市場規模。

一、空間環境的特質

一般來說，空間環境是指地球大氣層以外的宇宙空間環境。空間環境特別復雜，甚至不可預測，與地面環境有很大不同。典型的地球軌道空間環境主要包括真空、微重力、粒子、太陽輻射、地球反射和地球紅外輻射等。[2]

由于地球軌道空間環境具有提供長期微重力、強輻射和高真空條件的特質，地面耗資巨大也難以模仿和復制，為科學研究和制造活動取得突破與創新成果提供了寶貴機會。

1．微重力

微重力環境的定義為：在重力的作用下，系統的表觀重量遠小于其實際重量的環境。對于航天器內的環境來說，由于飛行過程中航天器所受的慣性加速度與地球引力加速度相平衡，此時即可視為是微重力狀態。不同航天器（軌道高度、載人與否）干擾力的影響不同，因此微重力量級也不同，正常情況可達到10-3～10-6g，即地球表面重力加速度的千分之一到百萬分之一。[3]

大量實驗表明，有機物和無機物的特性會隨著重力變化而改變。例如，活細胞在感知到重力減弱后，新陳代謝受到影響；而無機物在重力消失后浮力狀態也會改變。

2．強輻射

在近地軌道空間環境中，電離輻射為400 ～10000Gy/y，電磁輻射為1367W/m2，強度比地面高15 ～650 倍。放射性離子可導致生物體細胞內的DNA 斷裂，進而引發細胞突變，使生物體的形態、生長速率和基因表達發生改變。美國國家航空航天局（NASA）指出，人類在空間居住超過6 個月受到的輻射為50 ～200000mSv，相同時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低于一個大氣壓力的氣體狀態，離地面200 ～500km 的近地軌道空間為真空度10-4Pa 的高真空。而在高真空環境中，有機物活細胞會出現脫水和滲透膜破裂現象，無機物在化合時氣體引入雜質的幾率大大降低。

二、空間微重力在典型領域的應用前景

據麥肯錫統計，標題或摘要中“微重力”的專利數量從2000 年的21 項激增到2020 年的155項。制藥、美容與個人護理、食品與營養、半導體等四個行業通過與航天企業合作，有望在空間微重力環境中開展空間實驗（試驗），取得重大技術突破，甚至發明新產品。由此將顯著提高行業總體收入，創造數億美元甚至數十億美元的收入增長。空間微重力研發帶動典型行業收入增長預測見圖1。

圖1 空間微重力研發帶動典型行業收入增長預測

1．制藥

據麥肯錫公司統計，制藥行業每年的研發支出達2800 億美元，此外與從事臨床試驗的合同外包服務企業的合作支出約為800 億美元。如果航天企業能夠提高創新成果回報收益、提高化合物開發成功率或縮短產品研發周期，則可從中獲得研發經費。部分潛在應用如：

1）用于疾病預測模型的細胞培養。傳統的通過地面實驗培養細胞建立疾病模型的做法已經非常普遍，但現階段科學家在積極致力于研究空間微重力環境和空間輻射對細胞生長模式和基因表達帶來的變化及影響。

2）類器官。科學家在地面實驗室需要耗費漫長時間和大量資源在非常復雜的三維支架上培養類器官，用于醫學研究。學術界和航天機構在近年的合作研究中發現，科學家們在無人值守的軌道飛行任務中，在沒有支架的情況下，從胚胎干細胞培育出了成熟度更高的類器官。科學家甚至還設想在空間環境中基于特定成體干細胞來培養類器官，而這在地面無論如何也不能實現。

3）藥物研發。腫瘤藥物是制藥行業最大的產品組，開發難度高，風險—回報率非常差。如果制藥企業能夠在空間腫瘤藥物研發方面取得突破，將有可能提高藥物研發成功率，加快產品開發周期，確定藥物研發的新目標。麥肯錫公司的一項分析表明，通過空間微重力環境開發的一款腫瘤新藥可為制藥公司帶來12 億美元的平均凈現值。

空間制藥領域還在對空間視網膜制造技術等方面進行嘗試。麥肯錫基于對空間制藥的設想應用進行預測，認為制藥企業每年將可以從太空制藥獲得28 億到42 億美元的收入。

2．美容與個人護理

在美容和個人護理領域，皮膚護理有望首先開展空間應用。預計到2025 年，皮膚護理將占行業收入的34%（約2080 億美元）。隨著消費者更加關注有科學數據支持的產品，皮膚護理領域研發支出規模將快速增長，其中優質護膚品研發和活性成分生產兩個領域最為突出。

優質護膚品收入預計在2024 年前保持高達13%的年均復合增長率，預計2025 年收入達到930億美元。空間強輻射環境可加速衰老，因此在空間環境的研發活動有望開啟對皮膚護理的新發現，還將有助于產品推銷。

另一個重要領域是涉及維生素、視黃醇等護膚產品活性成分的研發與生產，該領域每年研發投入保持在4.6 億美元的穩定規模，預計將以高達19%的年均復合增長率持續增加，在2025 年創造15 億美元的收入。空間微重力環境可降低沉降率并減少浮力的影響，使不同物質更容易化合，利于護膚品公司研發和生產活性成分。科學研究表明，在空間培養的酵母具有較高的生長速率和代謝產物，可以提高護膚產品效果。

3．食品與營養品

人用營養品市場規模約10 萬億美元，其中保健品的市場規模預計到2025 年將達到170 億美元。益生菌是保健品中適合空間微重力開發的良好選擇。隨著消費者對保持身體健康和提高免疫力的關注增加，益生菌的受歡迎程度持續提升，在食品配料行業中的研發支出占比高達30%，位居首位。

在空間微重力環境下，益生菌的生長和代謝表達與地面不同，空間實驗（試驗）可以幫助科學家更好地了解環境對益生菌的影響，發現和開發出新的益生菌，以提高益生菌產品的功效。麥肯錫公司的研究表明，發現有益健康的新型益生菌菌株可帶來1 億美元甚至更高的商業價值。微生物在空間微重力懸浮液中可能生長更快，因此利用空間環境提高益生菌產量的研究也具有潛在價值。

4．半導體

半導體行業市場規模龐大，預計2025 年市場銷售額達到7250 億美元，屆時研發支出預計高達900 億美元。

在空間制造半導體可以利用真空環境，促進薄層技術創新。如果科學家能夠利用空間環境研制出尺寸更小的半導體結構，那將會創造出巨大的市場收入。2020 年，NASA 曾通過“國際空間站”微重力商業開發項目資助Made In Space 公司開展空間低成本、規模化自主制造高品質芯片的能力研究。麥肯錫公司認為，在太空中進行大規模、低成本的半導體制造可能需要十年或更長的時間。

三、美國率先推動空間微重力商業活動從政府牽引向私營主導過渡

NASA為牽引開發空間微重力環境的商業價值，于2012 年開始發布《征求驗證探測技術和提高國家實驗室利用率的提案》，為利用“國際空間站”開發空間微重力的商業價值征集研究項目并提供經費支持。NASA 根據研究項目技術和市場成熟度的高低確定資金支持力度，對于成熟度低、處于概念研究和探索階段的項目給予全部經費支持，對于技術成熟度和市場成熟度均達到9 級、具備進入市場條件的研究項目甚至要求企業自籌高達80%的研發經費。[4]

隨著空間微重力研發活動的市場價值得到實現和認可，商業公司對空間微重力環境的需求日漸明確。為進一步推進空間微重力資源的商業化進程，NASA 于2019 年發布了《低軌商業化發展計劃》，進一步向美國企業開放“國際空間站”資源，對微重力資源及服務實施明碼標價，并制定了從NASA主導開發低軌微重力資源逐步過渡到商業航天具備提供空間微重力資源的能力并最終向NASA 提供服務的發展路線圖。[5-6]

2022 年11 月21 日，美國山脈航天公司（Sierra Space）首席執行官在美國航天新聞（SpaceNews）網站發布署名文章《低軌正在經歷人類有史以來最深刻的工業革命》聲稱：在政府和私營航天企業的共同努力下，人類長期駐留低軌空間的“軌道時代”即將到來，帶來萬億美元的經濟規模，成為人類有史以來最深刻的工業變革，低軌微重力、強輻射和高真空環境的商業化應用將創造出巨大的商業價值。

美國山脈航天公司、公理航天公司（Axiom Space）、納型支架公司（Nanoracks）等商業航天企業通過參與“國際空間站”項目計劃逐漸建立各自的空間艙段和商業空間站，為美國政府部門和各行各業提供豐富的空間微重力資源。山脈航天公司計劃2023 年開始實施追夢者航天飛機訪問“國際空間站”的任務，在4 年內完成可延展的空間艙段部署，未來將開展空間制造業務。[7]公理航天公司計劃于2025 年發射該公司首個空間站艙段，于2031 年建成商業空間站。該公司稱已經簽署價值20 億美元的訂單，其中已經收到客戶4 億美元付款。[8]納型支架公司已經積累10 余年空間微重力服務經驗，計劃于2024 年開始發射前哨（outpost）軌道平臺，開展空間制造業務。[9]

四、結語

空間微重力資源的開發及應用始于政府主導的大型工程項目，并由政府通過向社會開放空間微重力資源，倡導和牽引傳統地面行業在空間微重力環境開展研究與創新，鼓勵將成果轉化為地面示范項目，形成應用價值，帶領社會各行業逐漸認識到空間微重力的應用潛力和經濟價值，促進更廣泛的社會資源參與空間微重力資源的開發與應用，建立商業模式，打造空間微重力經濟形態。

隨著進入空間的成本逐漸降低和空間微重力資源日益豐富，政府主導的空間微重力科研活動將逐漸過渡為企業主導的空間微重力市場經濟。