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“太空制造”兴起:这些产品适合在太空生产
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2018 年 11 月 29 日 星期 放大 缩小 默认  

“太空制造”兴起:这些产品适合在太空生产

周周

  对于人类来说,太空是危险之地:微重力使体液流动异常并让肌肉变得孱弱;辐射会穿过DNA,威胁人体健康。此外,真空环境对人体也是一大考验。然而对于一些物品的制造来说,太空或许是个完美的场所。

  那么,有哪些物品适合“太空制造”呢?

  “轻松”打印人造心脏

  传统的心脏移植确实能有效地救助病人,只不过病人需要终身服用免疫抑制药物,以免出现移植排斥反应,还要遵守一系列“能做”或“不能做”的规则禁忌。如果我们能从患者自己的干细胞中培养出一个心脏,这不仅能降低排斥的风险,患者也无须苦苦等待合适捐赠者的出现。

  那为什么要到太空中打印心脏呢?原来是因为科学家发现在有重力的环境里,打印器官可是一个大难题。

  问题的关键就是地球上的重力作用,它不仅限制了3D打印技术,还会让刚打印出来的组织在数秒内坍塌变形,无法维持住完美的成品状态。在地球上打印器官困难重重,科学家不由得把目光投向了太空。在近地轨道虚拟的“零重力”环境里,不再需要考虑重力的干扰,科研人员可以在不使用支架的情况下培育出一整颗心脏。这是由于在低重力环境中可以直接打印出3D形状,而且还能一直维持住完整的结构和形态,让科研人员可以把打印好的成品放入培育箱,大约在45天后,这个成品会长成功能齐全的心脏组织,届时,便可以将它运回地球投入使用。

  更高效的太空光纤

  光纤是应用广泛的光传导工具,多被用为通信传输材料。光纤的种类很多,其中太空制造的主要候选对象是被称为“超纯氟化物”(ZBLAN)的特殊光纤,主要用于医疗产品、光纤激光器和近红外等领域。这种材料被认为具有超低耗损的特性,能传输更宽的光谱,是长距离通信优质之选。

  遗憾的是,在地球上生产ZBLAN很困难,成品的效果也不理想。在生产这种光纤时,需要先把玻璃原料加热至300℃,然后再从10~20米的高处向下拉伸,把这团变软的玻璃拉成长条,变成光纤的样子。由于空间和重力的限制,光纤的长度可能最多只能拉到700米,而且玻璃会在重力作用下形成结晶或者沉淀。虽说我们可以把多条光纤连接起来增加距离,但是连接处会丢失信号,光纤里的沉淀和结晶又会削弱信号的强度,最终的通讯效果大打折扣。这款光纤也因为造价高昂,材质较“脆弱”,效果还不能尽如人意,目前还未能被投入商业市场。

  后来科研人员发现,在零重力环境中制造氟化物光纤,可以避免上述种种问题。在太空广袤的空间里,轻易就能拉扯出几千米长的光纤;另一方面,没有了重力的影响,光纤中不再轻易出现沉淀或结晶。这意味着在传输过程中信号的损失更少,信号延迟的情况也得到极大的改善。

  目前,美国一家公司已经向国际空间站发射了制作氟化物光纤的材料和设备,在抵达空间站后,制作装置会开始制造这款太空光纤,完成后会随返航的太空舱一起回到地球。如果后续的测试情况良好,这款光纤可能会在短期内被投入生产并开始销售。

  让“高污染生产”从地球消失

  “太空制造”还有一个非常明显的好处,就是可以让地球免受生产环节中产生的有毒废物的污染。

  砷化镓是目前制造优良太阳能电池板的首选材料,它能将40%的光转化成能量,这个转化率是主流硅基光伏电池板的2倍。但是生产砷化镓时,会遗留下许多有毒的化合物。

  美国休斯顿大学材料科学家亚力克斯·伊格纳季耶夫首次于太空真空环境中制造出了一种砷化镓半导体,经评估,这种在太空制造的半导体质量比在地球制造要好上一万倍。理论上,无缺陷的砷化镓太阳能板可以达到60%的能量转化率。

  至于生产过程中的有毒废弃物,太空有独特的能力来分解它们。太阳光中的紫外线可以帮助分解危险的分子,再将这些成分无害地分散出去。太空是一个开放的环境,这个环境对大多数分子而言都具有强烈的腐蚀性,在太空的真空环境里,这些分子要么分裂要么蒸发。

  基于这个情况,科学家产生了在太空中建立“巨型芯片工厂”,用以制造像半导体这类重污染产品的想法,届时,高污染生产可以完全从地球上消失。

  随着航天飞行成本不断下降以及3D打印技术的不断发展,今后将会有更多的商品在太空中被制造出来。它们不仅让人类在地球上获得性能更优异的产品,带来巨大的收益,还会促进太空事业的发展。

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