轨道上的加工厂——大有可为的“太空制造”

作者：兰顺正

首发自：《太空探索》

2月22日，美国瓦尔达航天工业公司的W-1太空制造舱在犹他州北部着陆成功。瓦尔达公司的目标是利用太空独特环境，致力于在轨制造，并由再入飞行器将成果带回地球，因此也让“太空制造”这一概念再次受到重视。

太空制药得天独厚

太空微重力和真空的独特环境显著减少了地球表面重力造成的各种缺陷，为相关制造产业提供了得天独厚的优势。以太空制药为例，太空制药是指利用返回式卫星、载人飞船等航天器，搭载有治疗作用的微生物菌种进入太空。这些菌种在高真空、强辐射、微重力等太空特殊环境因素作用下发生遗传性状变异，返回地面后，再由科研人员经过地面筛选，选出良性菌种，从而培育出新的药品。

如“太空蛋白质晶体生长”实验是载人航天活动中的重要医学项目。蛋白质是生命的物质基础，要解开生物体的奥秘和研制新药，首先要有优质的蛋白质结晶，才能了解它们结构和功能的秘密。在地面上，由于受重力影响，很难制成大而纯的蛋白质晶体。在太空失重条件下，蛋白质晶体比在地球上生长得更纯净、更大。通过对这些晶体的分析，科研人员能更好地了解蛋白质、酶和病毒的性质，从而研制出新药并能够更好地了解生命的基本构造。目前，实验结果已促使全球很多制药公司与航天企业合作，目的是研究出治疗癌症、糖尿病、肺气肿和免疫系统失调的药品或方法。

此次提及的瓦尔达公司所研发的W-1太空制造舱于2023年6月由猎鹰9火箭发射升空，在直径0.91米的太空返回舱内进行太空制药实验。W-1的返回舱实际上是一个自动化药物生产实验室，携带了制造利托那韦蛋白质晶体所需的材料。利托那韦是一种用于控制艾滋病毒的蛋白酶抑制剂，可减缓艾滋病毒的增殖和蔓延，减轻和延迟病情恶化发展，还是新冠治疗的主要药物之一。

据悉，W-1返回舱发射升空1个月后，已经完成了利托那韦蛋白质晶体的太空生长，但由于美国联邦航空管理局迟迟未能发放再入许可，它直到2024年才获准再入着陆。目前，利托那韦晶体已被送交合作伙伴改良制药公司进行分析，为开展后续的太空制药等高价值任务铺平道路。

太空冶金前景广阔

同时，太空冶金也是非常具有前途的项目。苏联于1969年在联盟6号飞船上完成了空间微重力条件下的焊接和合金熔化凝固实验，开创了人类空间冶金史。此后40多年，世界各国进行了上千次的空间实验，人类开始对空间环境有了实质性的认识。

在地面上进行冶炼，重力所导致的浮力对流、沉降及流体静压等都会对冶金过程产生影响。在外太空微重力条件下，重力引起的多种干扰均可消除，表面张力和扩散成为主要控制因素，密度不同的各种金属可以均匀地混合在一起，易于制成不含气体和杂质的特优钢材和各种合金，其强度、塑性和其他性能相较于地面产品都有较大的提升。

而且在地面上熔炼金属一般都要在熔炼炉中进行，但在外太空微重力下，钢球等熔体都“悬浮”着，因此不需要炉体，只用电磁线圈和一套特别的装置，就可以完成冶炼。被熔炼的材料悬浮在空中，电磁线圈通电之后，便会使被熔炼的金属材料因电磁感应而产生涡流，温度升高直至熔化。无容器冶炼消除了器壁污染，还可以抑制异质形核的发生，从而得到更高纯度、更低缺陷密度的高品质产品。

另外，外太空具有与地球不同的引力场，除了微重力还可能存在另外一种极端——超重力环境。比如木星的引力是地球引力的2.5倍左右，也不排除遥远未知的大质量天体，其引力场远大于地球。与微重力下表面张力起主要作用相反，在超重力环境下液体表面张力的作用变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，极大地提高了传递速率系数。超重力场强化了相际分离的特点，在冶金中有很大的应用空间。例如，超重力可以强化渣相和金属相的分离，极大加快冶金反应速率。

值得注意的是，太空还是3D打印人体器官的最佳地点。3D打印人体器官就是用3D 打印技术打印活组织。其采用的生物墨水由干细胞和供其生长的营养物质组成，在打印时被一层又一层地添加到支架上。在生物打印过程完成后，器官将被放置在生物反应器中，在那里进一步成熟，形成一个功能正常的器官。

但问题在于，在地面上进行操作的时候，重力会让容器中的细胞和组织在生长过程中被压缩，迫使它们再层叠形成扁平的二维层，这并不是器官自然发育的方式。而如果细胞可以在没有地球重力的情况下生长，那它们就不会沉降到培养容器的底部，飘浮在微重力环境中的细胞可能会以类似于体内发生的方式组装成器官。研究表明，在微重力条件下培养的细胞不会形成二维层，并且能在没有支架的情况下保持理想的形状。2019年，科学家为国际空间站开发了一台“3D生物制造设备”（3D BioFabrication Facility，简称BFF）。这是世界上第一台能够在太空中制造人体组织的3D打印机，于2019年7月搭载SpaceX公司的货运飞船到达国际空间站。

虽然目前在微重力环境下生长的器官可能还难以适应地球上的大气压力和重力影响，或许还会产生意想不到的基因突变，可一旦取得成功，那么对于人类的繁衍将产生巨大的积极意义。