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未来的工厂可以漂浮在太空中

2021

去年夏天,一架飞机开始上升,并在墨西哥湾上空翻了30, 000英尺。 目标不是追求刺激,而是更加真实的大胆:一次大约25秒,抛物线飞行将乘客提升到模拟失重的状态,允许高科技打印机将心脏干细胞吐出成两个 - 婴儿心脏的简化结构。

虽然这可能是令人印象深刻的,但它只是走向更大胆目标的道路上的一块砖头。 nScrypt(干细胞打印机的制造商),Bioficial Organs(油墨供应商)和Techshot(想到心脏实验)的管理人员计划在2019年之前在国际空间站上打印心脏碎片。打印机将飞行在商业火箭上。

像Blue Origin和SpaceX这样的私人太空飞行公司被批评为富豪们在纳税人投资上冲浪的虚荣项目。 但这些公司的出现导致了将货物和设备送入太空的价格下降。 如今,发射1公斤的东西需要花费大约5000美元,相比之下,航天飞机时代需要30, 000美元。 因此,越来越多的企业家和研究人员正在寻求利用这种相对便宜的通道来利用低地球轨道的独特品质 - 包括其真空,微重力,无限的太阳能和极端温度 - 用于制造。 他们的实验已经刺激了医学,技术和材料科学的创新。 最终,如果它起飞,轨道制造可能会彻底改变我们的制造方式。

心脏移植患者可以花费数月等待新的自动收报机。 在他得到一个之后,他将需要在他的余生中服用免疫抑制剂,这样他的身体就不会拒绝外来器官。 从患者自己的干细胞打印出来的心脏可以更快地找到他,免疫排斥的可能性更低。 它也可以完美地适应他原始心脏的尺寸。

但事实证明,在地球上打印心脏时,引力是一个真正的问题。 对于可生长的可印刷生物,干细胞和营养素的发酵液需要具有水的稠度,以确保细胞足够移动以将其编织在一起形成健康的心脏组织。 由于这种水的一致性,为了在地球上生长一颗心,你需要一个支撑结构。

Techshot的首席科学家Eugene Boland说:“如果你想到心脏,你真的在​​谈论肌肉包裹的四个大空隙。”不幸的是,科学家还没有设计出一种用于生长干细胞的支架,以后可以去除或溶解没有损坏新生器官。

通过在空间印刷器官,Techshot认为它可以在不使用脚手架的情况下生长整个心脏。

“如果我们试着在地球上做这件事,它会看起来漂亮一秒钟,然后整个桌子上只有一种融化的样子,Boland说。”看起来你只是倒了一个Jell-O模具,然后试图立即服务它会在你的盘子上形成这种凝胶状的混乱。“

但微重力有助于心脏在没有支架的情况下保持体形。 这部分是因为低重力使打印3D形状更直接。 在地球上,复杂的3D对象(如模型心脏)需要打印为2D图层,这些图层在耗时的过程中叠加在一起。 nScrypt首席执行官Kenneth Church将此称为“2-and-a-half-D”。 在微重力下进行打印可以使物体以真正的3D形式喷出,最多可将速度提高100倍。

在7月的抛物线飞行期间,一旦重力在飞机上重新建立,nScrypt和Techshot打印的第一个心脏结构在印刷后的第一分钟就失去了大约一半的高度。 国际空间站上的失重应该让干细胞在它们一起生长到心脏功能组织中时保持形状。 Boland估计,在培养过程开始后45天左右,空间制造的器官可以准备好返回地球。

Church认为该项目是超越3D打印的炒作和失望的一种方式。 “他们已经厌倦了看到Yoda的人物被打印出来,他说。”他们说'你答应过我一颗心。 它在哪里?' 而我要告诉你的是,'它在太空中。'“

美国宇航局太空门户办公室的物理学家Ioana Cozmuta回顾了数百种与太空相关的技术。 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​​标是为商业空间创造成功故事,”她说。 “但我正在努力炒作。”

Cozmuta工作的一部分是担心这样一个迷人而又危险的领域所固有的失望的危险。 无数爆炸事件表明,即使是黑天鹅企业家埃隆马斯克也不能幸免于火箭科学中可怕的复杂性带来的代价高昂的错误。 或者考虑理查德布兰森2008年的预测,即太空旅游业务将于2010年中期开始。 然后是2013年的圣诞节。然后是2014年的圣诞节,这是一个在试飞期间因致命事故而被破坏的截止日期。 即使是这个星球上最聪明,最富有的商人,空间也很难。 在评估了数百家公司参与NASA太空门户之后,Cozmuta必须留意那些声称已经确定了令人兴奋的太空商业理念的高管,尽管该计划充满漏洞。

FOMS是南加利福尼亚州的一家公司,它已经获得了资金,可以在明年开始在国际空间站上制造东西 - 该公司通过保持该项目稳固的经济基础来实现这一目标。 FOMS的首席科学家德米特里·斯塔多博夫(Dmitry Starodubov)决定传播太空采矿的想法,如铂金等稀有金属,目前每公斤售价约为30, 000美元。 在他看来,这仍然不足以使太空采矿有利可图。 “即使我们的月球是由纯铂制成的,我们的模型显示,在月球上开采铂金并将其带回地球在商业上是不可行的。”

相反,FOMS的目标是每磅更轻,更有价值的东西:异国情调的光纤电缆。 典型的光纤电缆,可能有助于将这些文字带到屏幕上,售价在每公斤3, 000至5, 000美元之间。 但奇异的光纤电缆能够传输更多数据,或者因为需要更少的电力而使数据传输更便宜? 最昂贵的类型每公斤花费高达数百万美元 。 这是价值与重量比的类型,可以证明在太空中制造物品的成本和风险。

外来光纤,例如ZBLAN首字母的类型,可以在地球上制造,但这并不容易。 制作ZBLAN的正常过程包括加热一个斑点,或“将这种特殊玻璃的预制件加热到300摄氏度以上,然后将其拉下来,就像一长串口香糖一样,从一个通常在10到20米高之间的落塔上拉下来但是,白热点的大小限制了所得到的电缆长度大约为700米的光纤长度。理想情况下,公司需要更长的段,因为连接点会导致信号丢失。此外,重力会导致沉淀。 ZBLAN的晶体结构,产生导致信号较弱的缺陷。

这就是为什么Starodubov的目标是在国际空间站上拉ZBLAN和其他复合材料,其产品质量和数量远远超过地球上的产品。 他帮助创造了一个原型,它使用了一个行李箱大小相当于一个落水塔,可以像花园水管一样缠绕光缆。 Co科兹穆塔说,理论上它可以在24小时内拉出数百公里。 没有重力,没有麻烦的结晶。

虽然ZBLAN很难在地球上制造,但研究人员对这些东西很感兴趣,因为它可以传输比二氧化硅更广泛的光谱,包括紫外线和深红外线。 这对于创造诸如紫外线手术激光器,人眼安全的红外线制造工具以及针对寻热导弹的更好对策等未来技术非常有用。 它也可能使我们的宽带管道“更胖”; Cozmuta估计,与现有的硅基光纤电缆相比,空间制造的ZBLAN在沿管道向下移动时会导致信号强度损失减少约100倍。 或者,它可以帮助使发送数据的过程更便宜,因为可以使用更少的功率在更长的距离上发送相同数量的数据,并且需要更便宜的传输设备。

至于电缆线轴如何回到地球? “你可以把它们带回SpaceX Cozmuta说。

一些太空制造的材料不需要回到地球来帮助我们。 考虑一种名为砷化镓的化合物,每8英寸晶圆的成本约为5000美元,制造时产生大量有毒副产品(氦氦!)。 但是它制造了太阳能电池板,将大约40%的光线转化为能量,相比之下,地球上通常安装的硅基板的效率为15%到20%。

休斯敦大学的材料科学家亚历克斯·伊格纳季耶夫(Alex Ignatiev)在20世纪90年代首次在太空真空中制造了一种砷化镓半导体,这种半导体是在一种名为Wake-Shield Facility的NASA工艺上制造的。 空间制造的半导体质量比地球制造的质量好10, 000倍 。 这是因为原子氧和空间中的真空质量使得化合物能够在一个原子高的层中整齐地生长,在数百或几千层中彼此堆叠,没有任何变形。 没有这些扭曲会增加其太阳能效率; 从理论上讲,无缺陷的砷化镓可以产生效率高达60%的太阳能。

伊格纳季耶夫设想在轨道上运行千米宽的砷化镓面板阵列,收集太阳的能量并通过微波将其发射回地球,类似于日本提出并在2015年开始演示的太阳能农场。而不是在地球上创建脆弱的面板并进行爆破他们多次出行,Ignatiev希望在太空中组装太阳能电池,以此作为显着降低成本的方法。

“当你在太空中时,你可以进入地球同步轨道,所以你总是指着太阳,然后向下射到他说的地球上的一个地方。地球上的网状接收器将接收微波信号,这将是足够分散以避免对飞机,鸟类,庄稼或牲畜造成伤害。

没有人愿意看到低地球轨道变成漂浮的有毒垃圾堆。 幸运的是,太空具有独特的能力来分解有害残留物。 在保护地球大气层之外,来自太阳的紫外线辐射会破坏危险的分子,而且这些成分会无害地分散。 “我们的星球是一个封闭的系统,而空间是一个对大多数分子来说非常腐蚀的开放环境,”伊格纳季耶夫说。 “他们要么在空间的真空环境中分裂或蒸发。”

这种将有毒生产从地球上移除的想法与亚马逊和蓝色原点创始人杰夫贝索斯在6月和9月的一些神秘评论相呼应。 他说,“你去太空拯救地球。”他补充说,出于环保原因,我们需要在太空建立“巨大的芯片工厂”,制造像半导体这样的东西的肮脏生意将完全从地球上移走。

尽管我们的电子产品闪闪发光,但制造电脑芯片确实很脏。 根据Cozmuta的计算,制造一个12英寸的集成电路需要2, 200加仑的水,用于清洁和冷却芯片 - 而在2015年,我们制造了9000亿个这样的电路。 尽管废水处理努力,美国半导体公司在2003年至2013年期间被引用了10, 000次环境违规行为。但是,如果您使用空间的冷冻真空作为冷却剂,谁需要水?

无论如何吸引前景,非世界的生产将需要巨额资金和风险承受能力。 几乎可以保证生命损失和巨额成本。 但这并不意味着它无法运作。 在失重成功的心脏印刷后,Techshot的Boland花时间庆祝里程碑。 “我们很惊讶。 我可以告诉你那里的那些家伙正在进行后空翻,可能字面意思。“

而且,nScrypt的教会正在考虑在国际空间站上打印心灵。 假设它们可以显着提高生产速度,真正的3D打印与“2-and-d-D”逐层方法的优势将使空间打印能够与大型地面制造商竞争。 伊格纳季耶夫对千米宽,太空砷化镓太阳能电池板的想法就是一个例子,但同样的原则适用于卫星甚至航天器。 “我想在太空中打印一切教堂说。”我想在太空中打印一枚火箭。

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