[读懂科学]失重魔力…太空工厂时代将开启

“为什么美国和中国等航天强国要投入天文数字的资金来建造空间站？”

近期，国内制药企业 보령 的一次“转行”引发关注：该公司向美国民营航天企业 Axiom Space 的商业空间站建设项目投资约6000万美元（约786亿韩元）。目前，美国每年为国际空间站（ISS）的维护和运营支出已超过3.7万亿韩元。中国也在2023年11月投入数万亿韩元，完成了自主空间站“天宫”（Tiangong）的建造。究竟在空间站里涂了什么样的“甜头”？这不仅仅是航天开发的前进基地，更是为了抢占未来经济中将占据重要份额的“太空制造产业”。因为在地球上受重力限制而无法实现或成本高昂的生物·制药、半导体、医学及高端制造业，在空间站的微重力（micro gravity）环境下，可以更加容易且低成本地完成。世界正在步入“太空工厂”时代。

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地球上的工厂和实验室可以摆脱重力带来的枷锁。以半导体为例，在地面生产晶圆时，受重力影响，其最大直径被限制在300毫米。但在空间站中，可以扩大到500毫米。晶圆越大，半导体良率越高，收益可以成倍增长。此外，特种半导体的制造也更容易。因为在地面上由于密度差异过大而难以合成的物质，在太空中可以实现完美混合。比如铝和铅在理论上可以混合，但在地球上因比重差过大而无法实现；然而进入太空后，它们可以在分子层面实现完全均匀混合。利用这类特殊材料，就有可能制造出具有特殊性能的半导体。

在生物和新药开发领域也是同样的道理。在地球上因重力影响而难以形成的“晶体”在太空中更易生成。晶体是指某种物质的高纯度块状结构，在失重环境中生长更快。如果在太空建立用于糖尿病治疗的胰岛素生产工厂，其生产效率将成倍提升。干细胞培养也会加快，研究将更加顺利。人工器官培养也是空间站研究的重点内容之一。虽然在地面也可以进行，但由于人体组织柔软，必须依靠支架支撑；接触支架的部位无法生长，且会因重力下垂而产生受压区域，存在根本性限制。在空间站的微重力环境中，人工器官本身悬浮在空中，无需支架即可均匀生长。基于同样原理，用蛋白质材料制成的生物墨水进行3D打印，生产软骨、膀胱等人工器官也要容易得多。化学反应和细胞培养在这里也不会受到重力带来的限制，可以更加完全地进行，是新药研究开发（R&D）的理想环境。

实际上，美国国家航空航天局（NASA）在2019年向国际空间站送入了生物制造设施（BioFabrication Facility），开展器官制造实验；俄罗斯也在2020年进行了软骨组织制造实验。民间领域则在尝试葡萄酒酿造、清洁肉（clean meat）生产以及咖啡制作等项目。中国也在天宫空间站内安装了20多个小型实验室，计划在10年内开展1000多项科学实验。空间站配备了离心机、可维持零下80摄氏度的低温舱与高温加热器、多重激光系统以及光学原子钟等各类尖端科学设备。尤其值得关注的是，有消息称中国计划积极利用空间站来推进在国内研发中遇到瓶颈的高端半导体技术。

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空间站同时也为深空开发等航天活动所需的技术和医学研究提供了最佳环境。NASA 正在国际空间站集中研究在最长达3年的火星探测任务中，人类长期停留在太空时，失重、辐射和宇宙线等对人体的影响。长期驻留太空会使癌症发病率提高30%以上，还会出现视力下降、骨密度流失、心脏疾病等多种副作用，因此有必要进行预防与治疗。尤其是那些能穿透一切屏障的极微小宇宙粒子极具威胁，它们会切断细胞内的DNA链，引发突变或癌症。目前尚未研发出明确有效的防护手段或治疗药物。NASA 还从今年起着眼长远目标，为在太空中实现一切物资的自给自足，计划在今后10年内，从3D金属打印到原子尺度（成核 nucleation）等各个层级，开展关于自组装（或3D打印）现象及相关物性测量的研究。

动植物和生命科学研究也是重要方向。在空间站中，人类通过饲养小鼠、两栖类、鱼类，分析其血液、骨骼、蛋白质变化及行为模式，开展多种研究。尤其是在微重力环境下栽培具有重力感知机制的植物，以此研究如何提高产量、开发生物燃料等。

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为更积极地利用太空环境的这些优势，除商业空间站建设外，各类小型无人太空工厂项目也在积极推进。其概念是发射配备自动化设备的小型飞船，在地球近地轨道的失重环境下执行特定制造或研究实验，随后返回地球回收成果物，即“飞船+工厂”模式。全球范围内，扩大利用空间站等太空基础设施的努力也在不断加速。美国原计划仅运行国际空间站至2024年，如今已决定延长至2030年，并将建造替代性商业空间站的任务交由 Axiom Space、Blue Origin 等民营企业承担。美国还将发射“月球门户”（Lunar Gateway）作为往返月球轨道的中转站。继中国之后，日本某民营企业也计划在2030年代投入3000亿至5000亿日元建设成本，发射自主空间站。

事实上，太空早已成为高端产品研发的前沿基地。用于治疗癌症、阿尔茨海默病和肌营养不良的药物，以及衣物柔顺剂等，都是在国际空间站中开发出来的，并已实现商业化。美国一家太空基础设施企业在2023年7月出售了2克太空生产的晶体，这是一种每千克价值200万美元的高价光学晶体，广泛应用于通信光纤、高功率激光发射器等设备中使用的图像传感器。据预测，到2040年前后，包括空间站在内的太空经济活动规模将达到1万亿美元。

2008年首位登上国际空间站的韩国宇航员 Lee Soyeon。资料照片。

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我国在利用微重力等太空轨道环境方面仍几乎是一片空白。目前唯一具有国际认证意义的成果，是开展太空食品研究：2008年韩国首位宇航员 Lee Soyon 博士在搭乘国际空间站时食用了相关产品，此后又在俄罗斯的载人火星探测模拟试验“火星500”（Mars 500）中得到应用。除此之外，只是在自今年起实施的第四次空间开发振兴规划中，将到2045年为止开发载人航天技术、扩大空间科学和太空基础科学研究作为目标。

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韩国航空宇宙研究院（KARI）卫星与深空探测系统设计部责任研究员 Choi Gihyeok 表示：“必须看清楚航天强国为何要花费那么多资金建设空间站”，“太空旅游不过是昙花一现，航天开发必须能带来经济收益，而空间站正是其中的核心”。他特别指出：“与 NASA 相关人士交流时，他们表示在物理学、机械工程、电子工程方面，已经把在太空可以做的研究基本做完了，但在生物医学领域以及宇航员长期驻留研究方面，仍有大量课题尚待开展”，“在半导体和电子产业之后，下一代核心产业将是生物领域，而我国在生物和医学领域拥有顶级的人才和物质基础设施，因此在太空医学研究方面也具有巨大优势”。

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