未来的工厂可能会漂浮在太空中

去年夏天，一架飞机在墨西哥湾上空进行了一次令人心惊胆战的上升和下降，高度达到 30,000 英尺。其目的不是为了寻求刺激，而是为了更大胆的事情：每次大约 25 秒，抛物线飞行将乘客提升到模拟失重状态，让高科技打印机将心脏干细胞吐出到婴儿心脏的双腔简化结构中。

尽管这可能令人印象深刻，但它只是迈向更大目标的一块砖头。nScrypt（干细胞打印机制造商）、Bioficial Organs（墨水供应商）和 Techshot（提出心脏实验的人）的高管计划在 2019 年前在国际空间站上打印跳动的心脏贴片。打印机将搭乘商业火箭升空。

像蓝色起源和 SpaceX 这样的私人航天公司被批评为富豪们利用纳税人投资的虚荣项目。但这些公司的出现导致将货物和设备送入太空的价格暴跌。如今，发射一公斤物品的成本约为 5,000 美元，而航天飞机时代则为 30,000 美元。因此，越来越多的企业家和研究人员希望利用这种相对便宜的方式，利用低地球轨道的独特特性（包括真空、微重力、无限太阳能和极端温度）进行制造。他们的实验已经激发了医学、技术和材料科学领域的创新。最终，如果轨道制造取得成功，它将彻底改变我们制造东西的方式。

更轻松的心

接受心脏移植的患者可能需要数月时间才能获得新的心脏。获得新心脏后，他将需要终生服用免疫抑制剂，这样身体才不会排斥外来器官。用患者自己的干细胞打印出来的心脏可以更快地到达患者体内，免疫排斥的可能性也更低。它还可以完美地适应患者原来的心脏尺寸。

但事实证明，在地球上打印心脏时，重力是一个真正的问题。要使可打印的生物墨水生长，干细胞和营养物质的培养液需要具有水的稠度，以确保细胞具有足够的移动性，以便编织成健康的心脏组织。由于这种水的稠度，要在地球上培育心脏，你需要一个支撑结构。

Techshot 首席科学家尤金·博兰 (Eugene Boland) 表示：“如果你考虑一下心脏，你会发现它实际上是四个被肌肉包裹的大空腔。”遗憾的是，科学家尚未设计出一种支架来培养干细胞，这些干细胞随后可以被移除或溶解，而不会损坏新生的器官。

Techshot 认为，通过在太空中打印器官，无需使用支架就能培育出完整的心脏。

“如果我们在地球上尝试这样做，它会在一秒钟内看起来很漂亮，然后就会融化在桌子上，”博兰说。“看起来就像你刚倒出一个果冻模具，然后试图立即端上桌——它会在你的盘子里凝结成一团胶状物。”

但微重力有助于心脏在没有支架的情况下保持形状。部分原因是低重力使打印 3D 形状更加直接。在地球上，复杂的 3D 物体（如模型心脏）需要打印成 2D 层，然后将它们叠加在一起，这个过程非常耗时。nScrypt 首席执行官肯尼斯·丘奇 (Kenneth Church) 将此称为“2.5D”。在微重力下打印可以让物体以真正的 3D 形式打印出来，速度可提高 100 倍。

在 7 月份的抛物线飞行中，nScrypt 和 Techshot 打印的第一个心脏结构在打印后的第一分钟内就失去了大约一半的高度，当时飞机上的重力已经恢复。国际空间站上的失重状态应该可以让干细胞在生长成功能性心脏组织时保持形状。博兰德估计，在培养过程开始后大约 45 天，太空制造的器官就可以返回地球了。

丘奇认为，这个项目是摆脱 3D 打印的炒作和失望的一种方式。“人们已经厌倦了看到尤达人物被打印出来，”他说。“他们说‘你答应给我一颗心。它在哪儿？’而我要告诉你的是，‘它在太空里。’”

并非一般的有线电视公司

美国宇航局太空门户办公室的物理学家伊奥娜·科兹穆塔 (Ioana Cozmuta) 审查了数百项与太空相关的技术。她的职责是寻找和审查想要在太空开展业务的潜在合作伙伴。“我的目标是为商业太空创造成功的故事，”她说。“但我对炒作感到很挣扎。”

科兹穆塔工作的一部分就是担心在这样一个光鲜亮丽却风险颇高的领域中，失望所带来的危险。无数次爆炸表明，即使是黑天鹅企业家埃隆马斯克也无法免受火箭科学极其复杂的失误所带来的代价高昂的损失。或者想想理查德布兰森在 2008 年的预测，即太空旅游业务将于 2010 年中期开始。然后是 2013 年圣诞节。然后是 2014 年圣诞节，这个最后期限因试飞期间的致命事故而被打乱。进入太空并不容易，即使对这个星球上最聪明、最富有的商人来说也是如此。在为 NASA 太空门户评估了数百家公司后，科兹穆塔必须警惕那些声称已经确定了一个令人兴奋的太空商业理念的高管，尽管该计划漏洞百出。

FOMS 是一家位于南加州的公司，该公司已获得资金，将于明年开始在国际空间站上制造物品——该公司之所以能获得资金，部分原因是让该项目具有稳固的经济基础。FOMS 首席科学家 Dmitry Starodubov 决定放弃太空开采铂金等稀有金属的想法，目前铂金的售价约为每公斤 30,000 美元。在他看来，这还不足以让太空采矿盈利。“即使我们的月球是由纯铂金制成的，我们的模型也表明，在月球上开采铂金并将其带回地球在商业上是不可行的，”他说。

相反，FOMS 将目光瞄准了更轻、每磅价值更高的东西：异国光纤电缆。典型的光纤电缆（可能有助于将这些文字呈现在您的屏幕上）每公斤售价在 3,000 至 5,000 美元之间。但是，异国光纤电缆能够传输更多数据，或者由于耗电量更少而使数据传输更便宜？最昂贵的类型每公斤成本高达几百万美元。这种价值重量比可以证明在太空制造东西的成本和风险是合理的。

特殊光纤（例如首字母缩写为 ZBLAN 的光纤）可以在地球上制造，但制造过程并不容易。制造 ZBLAN 的正常过程包括将这种特殊玻璃的团块或“预制件”加热到 300 摄氏度以上，然后像拉一长串口香糖一样将其从通常高 10 到 20 米的落塔上拉下来。但是白热团块的大小限制了最终电缆的长度——光纤的最大长度约为 700 米。理想情况下，公司希望电缆段更长，因为连接点会导致信号丢失。此外，重力会导致 ZBLAN 晶体结构沉降，从而产生缺陷，导致信号变弱。

这就是为什么 Starodubov 把目光投向了在国际空间站上拉动 ZBLAN 和其他复合材料，希望生产出比地球上质量和数量都高得多的产品。他帮助创建了一个原型，使用行李箱大小的落塔，像花园软管一样缠绕光缆。“理论上，它可以在 24 小时内拉动数百公里，”Cozmuta 说。而且没有重力，就不会出现麻烦的结晶。

尽管 ZBLAN 在地球上很难制造，但研究人员对这种材料很感兴趣，因为它可以传输比二氧化硅更宽的光谱，包括紫外线和深红外线。这可能有助于创造未来技术，如紫外线手术激光器、人眼安全的红外制造工具，以及更好的对抗热寻的导弹的措施。它还可以使我们的宽带管道“更宽”；Cozmuta 估计，与现有的二氧化硅基光纤电缆相比，太空制造的 ZBLAN 在管道中传输时信号强度的损失将减少约 100 倍。或者，它可以帮助降低数据发送过程的成本，因为相同数量的数据可以传输更长的距离，使用更少的功率，并且需要更便宜的传输设备。

至于电缆卷轴如何返回地球？“你可以用 SpaceX 把它们带回来，”Cozmuta 说。

砷的光明面

一些太空制造的材料不需要返回地球来帮助我们。以砷化镓为例，这种化合物每片 8 英寸晶圆的成本约为 5000 美元，制造时会产生大量有毒副产品（砷！）。但它可以制成优质的太阳能电池板，将照射到其上的光的约 40% 转化为电能，而地球上通常安装的硅基电池板的效率仅为 15% 到 20%。

20 世纪 90 年代，休斯敦大学材料科学家亚历克斯·伊格纳季耶夫首次在太空真空中制造出砷化镓半导体，当时他搭乘的是美国宇航局的“尾流盾”设施飞船。这种太空制造的半导体质量比地球上制造的半导体好10,000 倍。这是因为原子氧和太空真空的质量使得这种化合物能够整齐地生长成一层原子高、堆叠成数百层或数千层的层，而不会产生任何扭曲。没有这些扭曲会提高其太阳能效率；理论上，无缺陷的砷化镓可以产生高达 60% 的太阳能效率。

伊格纳季耶夫设想在轨道上部署直径达一公里的砷化镓面板阵列，收集太阳能并通过微波将其传回地球，类似于日本 2015 年提出并开始演示的太阳能发电场。伊格纳季耶夫不想在地球上制造易碎的面板，然后在多次飞行中将其炸毁，而是希望在太空中组装太阳能电池，以大幅降低成本。

他说：“当你在太空中时，你可以进入地球同步轨道，这样你就可以一直指向太阳，然后向地球上的某个地方发射。”地球上的网状接收器将接收微波信号，这些信号的散射程度足以避免对飞机、鸟类、农作物或牲畜造成伤害。

没人希望看到近地轨道变成漂浮的有毒废物倾倒场。幸运的是，太空具有分解有毒残留物的独特能力。在地球大气层的保护之外，来自太阳的紫外线会分解危险分子，这些成分会无害地分散。“我们的星球是一个封闭的系统，而太空是一个开放的环境，对大多数分子来说都是非常腐蚀性的，”伊格纳季耶夫说。“它们要么会分解，要么会在太空的真空环境中蒸发。”

将有毒生产转移到地球之外的想法与亚马逊和蓝色起源创始人杰夫·贝佐斯在 6 月和 9 月发表的有些含糊的评论相呼应。他说：“你去太空是为了拯救地球。”他补充说，出于环境原因，我们需要建造“太空巨型芯片工厂”，将制造半导体等肮脏产品的业务完全转移到地球上。

尽管我们的电子产品看起来光鲜亮丽，但制造计算机芯片确实很脏。根据 Cozmuta 的计算，制造一块 12 英寸集成电路需要 2,200 加仑的水，用于清洁和冷却芯片——而 2015 年，我们制造了 9000 亿块这样的电路。尽管努力进行废水处理，但美国半导体公司在 2003 年至 2013 年间仍被指控违反环境法规 10,000 起。但是，如果使用太空的冷冻真空作为冷却剂，谁还需要水呢？

太空制造

无论前景多么诱人，在外星生产都需要巨额资金和风险承受能力。生命损失和巨额成本几乎是必然的。但这并不意味着它行不通。在失重状态下成功进行心脏打印后，Techshot 的 Boland 抽出时间庆祝这一里程碑。“我们很惊讶。我可以告诉你，上面的人都在做后空翻，可能真的在做。”

nScrypt 公司的 Church 的设想远不止在国际空间站上打印心脏那么简单。假设他们能够显著提高生产速度，那么与“2.5D”逐层打印方法相比，真正的 3D 打印的优势将使太空打印甚至可以与大型地面制造商相媲美。Ignatiev 的设想是制造直径达一公里的太空砷化镓太阳能电池板，但同样的原理也适用于卫星甚至航天器。“我想在太空中打印一切，”Church 说。“我想在太空中打印一枚火箭。”