太空實驗室孵化的實用科技

劉秉軍

國際空間站正在開展一個新的實驗項目——在太空中3D打印人造器官。如果實驗成功，那么未來需要移植器官的患者將不必依賴器官捐獻。太空環(huán)境相當于一個活躍的實驗室，能夠挑戰(zhàn)許多科學和技術(shù)領(lǐng)域的極限。一些在地球上完全難以想象的新技術(shù)、新產(chǎn)品，正在太空中被成功孵化。

人造器官和再生技術(shù)

據(jù)英國《新科學家》雜志報道，國際空間站上的新型實驗設施被稱為生物制造設施（BFF），是不久前由SpaceX火箭送達國際空間站的。該設施的核心是一臺3D生物打印機，它正嘗試在太空中打印人體組織——用于修復受損心臟的心臟補片。

許多科學家都致力于開發(fā)人造器官，盡管取得了不少成果，但仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。尤其是人造器官在制造過程中需要依附于支架，這樣才能保持特定的形狀，但到目前為止，還沒有一種支架可以在不損害人造器官的情況下被順利移除。研究人員一方面致力于開發(fā)更精巧的易于移除的支架，另一方面也致力于在太空實驗室中開發(fā)人造器官。太空中的微重力環(huán)境可以在不需要支架的情況下生產(chǎn)人造器官，從而開辟一條新的道路。

BFF由宇航員在國際空間站中組裝。它的工作原理是在“細胞培養(yǎng)反應器”中用人造細胞打印組織，最終形成器官。研究人員預計初步實驗將持續(xù)幾個月，最終打印出的人造器官將被送回地球進行研究。

與國際空間站合作的美國Techshot公司總裁兼首席執(zhí)行官約翰·韋林格表示：“利用3D生物打印機在太空中培育組織或器官，從技術(shù)和生物學的角度來看，需要經(jīng)歷艱難的實驗和測試過程，而一旦成功，那么對于生物學和醫(yī)學來說都將是重大突破。未來需要移植器官的患者將不必依賴器官捐獻，用患者自己的干細胞就能生產(chǎn)人造器官。”

除了3D打印人造器官，科學家們還有更加激進的設想——在太空中研究人體再生器官的可能性。

渦蟲是地球上最簡單的生命形式之一，但它有一個令人難以置信的能力：如果把它切成兩半，那么每一半都能長成一條完整的渦蟲。這種強大的再生能力源于在渦蟲的全身分布著干細胞網(wǎng)絡，一旦其身體被切割，那么干細胞就可以隨時生長出新的身體。

科學家們很早就開始在地球上研究渦蟲再生的原理。如今國際空間站上的科研人員正在研究，在微重力環(huán)境下渦蟲體內(nèi)的干細胞是如何發(fā)揮作用的。為了太空之旅，渦蟲付出的代價可以說非常高：它們在地球上被切掉頭或者尾巴，隨后被送往空間站。生活在空間站里的渦蟲被嚴密監(jiān)控，科學家們跟蹤觀察它們被激活的再生基因，并與地球上觀測到的渦蟲再生能力進行比較。在太空中對渦蟲進行研究，有助于研發(fā)一種能使人體在微重力環(huán)境中進行自我修復的再生技術(shù)。

未來材料技術(shù)的突破口

太空中可以產(chǎn)生比地球上效果好1萬倍的真空環(huán)境，研究人員利用這種“超真空”環(huán)境開發(fā)出各種稀有材料，這是決定未來材料技術(shù)發(fā)展的突破口。

太空新材料開發(fā)的先行者是美國。早在20世紀90年代，美國就在航天飛機上配備了“真空尾跡屏罩設備”（WSF），它是一個直徑3.7米的不銹鋼圓盤，跟隨航天飛機在太空中飛行，其內(nèi)部形成“超真空”環(huán)境。美國科學家利用WSF合成了一種超薄、超純凈的薄膜材料，用于制造新型半導體材料——這是太空新材料的首次應用。在那之后，國際空間站上一直設有新材料開發(fā)實驗室。

中國在太空新材料開發(fā)方面的進展很快。中國“天空二號”飛行器被視為未來空間站的雛形。它配備的綜合材料實驗裝置，外表看起來像一顆小型核彈，其實是一個新材料實驗爐。另外還有一個電控箱——控制加熱條件和實驗參數(shù)都要靠它。實驗爐開發(fā)出的新材料樣品由專門的樣品袋保存。整套系統(tǒng)加起來只需要200瓦的功耗，而爐內(nèi)的最高溫度可以達到950攝氏度，能融化玻璃和銀等材料。

目前中國已經(jīng)在太空中開發(fā)出了新型納米材料、高溫合金、紅外探測材料、磁性半導體、高性能熱電半導體、單晶合金、新型金屬基復合材料，等等。這些材料都具有潛在應用價值。例如航空發(fā)動機的葉片要采用單晶合金，它研發(fā)難度大，研發(fā)流程復雜、周期長。正是基于這樣的情況，中國的航空發(fā)動機葉片一直存在技術(shù)瓶頸。“天宮二號”和未來的中國空間站，有望通過開發(fā)新材料突破這一技術(shù)瓶頸。

在地球上生產(chǎn)一些重要的工業(yè)元件，需要克服諸多環(huán)境因素的影響，其中重力是個很重要的因素。例如中國在研發(fā)直升機的過程中，為了開發(fā)主減速器上的一個合金齒輪，耗時18個月，匯集全國數(shù)十家工廠進行技術(shù)攻關(guān)，最終才制造出合格的齒輪樣品。航空發(fā)動機的葉片更是一種生產(chǎn)難度極大的產(chǎn)品，它需要至少5種不同的基礎加工方法、100多項流程，還有上千項注意事項。如果能夠在太空中開發(fā)相關(guān)技術(shù)，未來形成大規(guī)模生產(chǎn)線是有可能的。單晶合金僅用于制造單晶葉片，這樣的葉片一臺航空發(fā)動機只需要100—200片，總重不超過50千克。在成熟的空天往返運輸系統(tǒng)的支持下，在太空中生產(chǎn)然后運回地球是可以實現(xiàn)的。

具有新用途的特殊植物

在太空中，植物生長所需的水和肥料相對較少，而生長速度是地球上的三倍，還可以使一些植物產(chǎn)生新的特性。太空植物實驗室有助于研究如何在微重力環(huán)境下提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并培育具有新用途的特殊植物。

在太空中培育植物的靈感來自于美國航天飛機的一項實驗。航天飛機曾攜帶玫瑰花登上太空，研究人員和相關(guān)企業(yè)在此基礎上開發(fā)出一種新的玫瑰香料。玫瑰花順利地在航天飛機中生長起來，宇航員提取了玫瑰花揮發(fā)的香油。研究表明，“太空玫瑰”的香味揮發(fā)時間更長，而且非常獨特。日本資生堂化妝品公司復制了這種“太空玫瑰”產(chǎn)生的氣味分子，開發(fā)出著名的“Zen”系列香水。

目前，宇航員已經(jīng)在國際空間站的植物實驗室中培育出了第一朵花——漂亮的百日菊。從外表上看，其顏色和形狀與地球上生長的品種差異不大，但生長周期（即花期）較長，而且它的香味更加宜人。

在太空中培育植物所面臨的挑戰(zhàn)不小。首先，微重力環(huán)境會對植物的根產(chǎn)生影響;其次，太空中不具備植物生長所需的條件：沒有光照，濕度大，空氣流動不暢以及容易受到宇宙射線的影響，等等。那么，宇航員是怎么做到的呢？他們用針管給植物根部的培養(yǎng)基補水;采用紅、藍、綠LED燈光模擬植物生長所需要的陽光，比如在百日菊的生長的環(huán)境中，LED燈會保持10小時開、14小時關(guān)，模擬地球上的光照條件;利用特殊的設備創(chuàng)造合適的濕度和空氣流通環(huán)境。

太空中的發(fā)電站

在太空實驗的“計劃表”中，還有一項實驗很快將被提上日程——太空發(fā)電。

美國“亞特蘭蒂斯號”和“哥倫比亞號”航天飛機都曾進行過類似的實驗——在太空中釋放衛(wèi)星，衛(wèi)星通過一根21千米長的繩索連接著航天飛機，航天飛機拖曳著衛(wèi)星在太空軌道上飛行。這一實驗被稱為“繩系衛(wèi)星實驗”，是科學家們受風箏的啟發(fā)而設計的，其原理是當繩索經(jīng)過地球電離層時，會切割磁場的磁力線，電離層中的電子聚集到帶正電的衛(wèi)星表面，并沿著導電的繩索傳到作為負極的飛行器上。然后，飛行器上的電子槍把電子發(fā)射回電離層，從而形成閉合電路，這樣就可以實現(xiàn)在太空中發(fā)電。

可惜的是，航天飛機進行的實驗并不算成功。由于一個螺栓安裝不當，繩索被卡住，“亞特蘭蒂斯號”只釋放了256米長的繩索。幸運的是，衛(wèi)星完好無損地回收到航天飛機艙內(nèi)。“哥倫比亞號”把衛(wèi)星放得更遠，但當衛(wèi)星距航天飛機達19.7千米時，繩索突然斷裂，衛(wèi)星連著斷繩飛向了更高的軌道，脫離了控制。

雖然兩次實驗都沒有成功，但實驗的目的部分達成——證實了繩系衛(wèi)星確實能產(chǎn)生電能。第一次實驗中測得的電壓為40伏;第二次實驗，在繩索斷裂之前，衛(wèi)星產(chǎn)生了3000伏的電壓。

空間站的穩(wěn)定性高于航天飛機，以空間站為基站的繩系衛(wèi)星有望產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，從而實現(xiàn)在太空中發(fā)電。這種電能可以為空間站和其他飛行器服務，也可以通過特殊的途徑傳回地球，從而為地面上的設備提供能量。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com