新品迭出的太空制造業

李偉

未來月球基地需要“外星水泥”建造火箭發射臺（想象圖）

小型衛星Archinaut One

太空光纖

據美國《太空新聞》報道，美國硅谷初創公司“缺陷光子學”在國際空間站中生產了超過5000米的“超純氟化物”（ZBLAN），這是一種特殊的光纖材料，可用于醫療器械、光纖激光器等領域，被認為是太空制造業的杰出新品。

ZBLAN比二氧化硅（海底通信光纜中的光纖玻璃原料）更透明——透明度的提升意味著信號衰減的降低。也許在不久的將來，我們所使用的網絡光纖將不再從地球上生產，而是直接在太空中制造。“缺陷光子學”的目標是利用ZBLAN替換全球所有的海底光纜。

《太空新聞》指出，在太空中制造衛星主要是為了節省發射成本，而在太空中制造光纖，則是要利用獨特的微重力環境。

除了“缺陷光子學”，一家名為“太空制造”（Made In Space）的公司也致力于該領域。“太空制造”公司通信部經理奧斯汀表示，太空中的微重力環境可以有效剔除材料在重力環境中含有的雜質，從而生產出反應性能和數據流通性能都更佳的ZBLAN產品。

“太空制造”公司之所以選擇ZBLAN光纖作為重要的商業項目，是因為看到了這種產品的價值，以及足夠廣闊的市場前景：只需要1千克該材料，就能生產出數千米光纖，每米售價超過100美元。

“太空制造”公司的業務范圍很廣，其目標是建立一套成熟的太空經濟體系。該公司計劃在太空中利用微重力環境制造更多的產品。與地球上的設備不同，運往太空中的設備，尺寸一般不能超過微波爐，以便能夠放入火箭艙體。

2014年，“太空制造”公司為國際空間站研發了第一臺可以在太空中使用的3D打印設備，專門用于生產由高精度分子構成的高強度小型航空部件。“太空制造”公司還獲得美國航空航天局（NASA） 的7370萬美元投資，在2022年發射了名為 Archinaut One 的小型衛星。它攜帶少量原材料，在太空中利用3D打印技術自行生產了兩塊10米長的太陽能電池板。

新晉“藥王”

太空制造業的另一個發展重點是蛋白質晶體。利用特殊蛋白質晶體制造的藥物，性能更強大。蛋白質晶體生長實驗是太空實驗中的重要項目。在地面上，受重力影響，純凈的蛋白質晶體很難制成，而太空中獨特的微重力環境能讓蛋白質分子更加舒展，充分地結合，并更好地過濾雜質，最終形成納米級、高純度、高均勻度的蛋白質晶體。

NASA一直致力于國際空間站的蛋白質晶體開發實驗。制藥公司和學術研究人員已實施了500多項蛋白質晶體開發實驗，是迄今為止在國際空間站中實施的最大的單一類別實驗。科學家對蛋白質晶體結構進行了修改，發明了一種治療結核病的新藥，還開發出一種新的抗癌藥物輸送機制。

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）也是致力于微重力環境中蛋白質晶體研究的機構之一。他們分析了與杜氏肌營養不良癥相關的蛋白質晶體結構，還開發出幾種有藥用前景的化合物。

此外，大型制藥公司也越來越重視微重力環境中的蛋白質晶體為藥物研發帶來的益處。例如，默沙東公司的PD-1藥物就源于國際空間站的蛋白質純化與結晶實驗。該公司發布的最新研究報告稱，微重力環境中的蛋白質晶體增強了治療腫瘤的藥物Keytruda的效力。該藥物在2023年銷量大增，成為全球新晉“藥王”。

性能優異的ZB L AN光纖

“太空制造”公司送入國際空間站的3D打印機

“外星水泥”

水泥是建筑物所需的最基本的原材料。據英國《天文學》報道，研究人員在微重力環境中制成了一種水泥。他們將水泥的基本成分送到國際空間站，然后將水和水泥的主要礦物成分硅酸三鈣混合，通過水化過程使其硬化了42天。實驗結果表明，在微重力環境中生成的水泥性能更佳。

與地球上加工的水泥相比，國際空間站中加工的水泥，微觀結構發生了很大變化。地球上的水泥由于重力作用，呈現分層結構；國際空間站中缺乏重力，因此水泥的密度非常均勻，這意味著它更加堅固。

上述實驗結果標志著人類向“在月球上就地建造建筑物”邁出了重要一步。下一步，科學家將使用模擬月球表層土，在國際空間站中試制“月球水泥”。人類要在火星或月球等其他星球上生活和工作，就需要制造“外星水泥”作為建筑材料——登月者不能隨身攜帶水泥，需要就地利用資源。

科學家正在探索如何利用月球或火星上類似黏土的表層土，作為生產“外星水泥”的基礎原料。這種超乎尋常的建筑材料必須滿足一個要求——耐用，以便建造發射臺，保護火箭在發射或著陸期間不受巖石碎塊和灰塵的影響。現有的大多數傳統建筑材料，包括水泥，不適合在空間環境中使用。

科學家已成功將模擬月球或火星土壤轉化為地質聚合物水泥，它被認為是傳統水泥的良好替代品。科學家創建了一個框架，以比較不同類型的地質聚合物水泥及其特性，并公布了研究進展。

地質聚合物是由鋁硅酸鹽礦物形成的無機聚合物。從美國特拉華州到非洲，都能找到普通的黏土。當與高pH值溶劑（如硅酸鈉）混合時，黏土就會溶解，釋放出鋁和硅，與其他物質發生反應，形成新的結構。最關鍵的是，月球和火星上的土壤中含有類似的黏土。

在微重力環境中，科學家將這種黏土與硅酸鈉混合，倒入立方體模具中。7天后，測量每個立方體的大小和重量，然后將其壓碎，可以了解新材料在載荷下的性能。具體來說，這種實驗可以研究各種模擬土壤之間的化學差異是否會影響材料的強度。

試想，未來在月球上發射火箭，巨大的重量壓在發射臺上，材料的抗壓性能成為一個重要指標。在地球上，人們能制造出具有完成這項工作所需的抗壓強度的材料，而在月球表面，必須試制新型水泥。

科學家計算了宇航員在月球或火星表面建造發射臺需要多少原材料，還將樣品置于太空中的不同環境中，包括真空、低溫和高溫環境。在真空條件下，一些水泥樣品的性能得到了驗證。

總體而言，與在室溫和重力環境中固化的地質聚合物立方體相比，微重力環境中生產的“外星水泥”性能有所增強。

編輯：姚志剛? ? winter-yao@163.com