新品迭出的太空制造业

李伟

未来月球基地需要“外星水泥”建造火箭发射台（想象图）

小型卫星Archinaut One

太空光纤

据美国《太空新闻》报道，美国硅谷初创公司“缺陷光子学”在国际空间站中生产了超过5000米的“超纯氟化物”（ZBLAN），这是一种特殊的光纤材料，可用于医疗器械、光纤激光器等领域，被认为是太空制造业的杰出新品。

ZBLAN比二氧化硅（海底通信光缆中的光纤玻璃原料）更透明——透明度的提升意味着信号衰减的降低。也许在不久的将来，我们所使用的网络光纤将不再从地球上生产，而是直接在太空中制造。“缺陷光子学”的目标是利用ZBLAN替换全球所有的海底光缆。

《太空新闻》指出，在太空中制造卫星主要是为了节省发射成本，而在太空中制造光纤，则是要利用独特的微重力环境。

除了“缺陷光子学”，一家名为“太空制造”（Made In Space）的公司也致力于该领域。“太空制造”公司通信部经理奥斯汀表示，太空中的微重力环境可以有效剔除材料在重力环境中含有的杂质，从而生产出反应性能和数据流通性能都更佳的ZBLAN产品。

“太空制造”公司之所以选择ZBLAN光纤作为重要的商业项目，是因为看到了这种产品的价值，以及足够广阔的市场前景：只需要1千克该材料，就能生产出数千米光纤，每米售价超过100美元。

“太空制造”公司的业务范围很广，其目标是建立一套成熟的太空经济体系。该公司计划在太空中利用微重力环境制造更多的产品。与地球上的设备不同，运往太空中的设备，尺寸一般不能超过微波炉，以便能够放入火箭舱体。

2014年，“太空制造”公司为国际空间站研发了第一台可以在太空中使用的3D打印设备，专门用于生产由高精度分子构成的高强度小型航空部件。“太空制造”公司还获得美国航空航天局（NASA） 的7370万美元投资，在2022年发射了名为 Archinaut One 的小型卫星。它携带少量原材料，在太空中利用3D打印技术自行生产了两块10米长的太阳能电池板。

新晋“药王”

太空制造业的另一个发展重点是蛋白质晶体。利用特殊蛋白质晶体制造的药物，性能更强大。蛋白质晶体生长实验是太空实验中的重要项目。在地面上，受重力影响，纯净的蛋白质晶体很难制成，而太空中独特的微重力环境能让蛋白质分子更加舒展，充分地结合，并更好地过滤杂质，最终形成纳米级、高纯度、高均匀度的蛋白质晶体。

NASA一直致力于国际空间站的蛋白质晶体开发实验。制药公司和学术研究人员已实施了500多项蛋白质晶体开发实验，是迄今为止在国际空间站中实施的最大的单一类别实验。科学家对蛋白质晶体结构进行了修改，发明了一种治疗结核病的新药，还开发出一种新的抗癌药物输送机制。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）也是致力于微重力环境中蛋白质晶体研究的机构之一。他们分析了与杜氏肌营养不良症相关的蛋白质晶體结构，还开发出几种有药用前景的化合物。

此外，大型制药公司也越来越重视微重力环境中的蛋白质晶体为药物研发带来的益处。例如，默沙东公司的PD-1药物就源于国际空间站的蛋白质纯化与结晶实验。该公司发布的最新研究报告称，微重力环境中的蛋白质晶体增强了治疗肿瘤的药物Keytruda的效力。该药物在2023年销量大增，成为全球新晋“药王”。

性能优异的ZB L AN光纤

“太空制造”公司送入国际空间站的3D打印机

“外星水泥”

水泥是建筑物所需的最基本的原材料。据英国《天文学》报道，研究人员在微重力环境中制成了一种水泥。他们将水泥的基本成分送到国际空间站，然后将水和水泥的主要矿物成分硅酸三钙混合，通过水化过程使其硬化了42天。实验结果表明，在微重力环境中生成的水泥性能更佳。

与地球上加工的水泥相比，国际空间站中加工的水泥，微观结构发生了很大变化。地球上的水泥由于重力作用，呈现分层结构；国际空间站中缺乏重力，因此水泥的密度非常均匀，这意味着它更加坚固。

上述实验结果标志着人类向“在月球上就地建造建筑物”迈出了重要一步。下一步，科学家将使用模拟月球表层土，在国际空间站中试制“月球水泥”。人类要在火星或月球等其他星球上生活和工作，就需要制造“外星水泥”作为建筑材料——登月者不能随身携带水泥，需要就地利用资源。

科学家正在探索如何利用月球或火星上类似黏土的表层土，作为生产“外星水泥”的基础原料。这种超乎寻常的建筑材料必须满足一个要求——耐用，以便建造发射台，保护火箭在发射或着陆期间不受岩石碎块和灰尘的影响。现有的大多数传统建筑材料，包括水泥，不适合在空间环境中使用。

科学家已成功将模拟月球或火星土壤转化为地质聚合物水泥，它被认为是传统水泥的良好替代品。科学家创建了一个框架，以比较不同类型的地质聚合物水泥及其特性，并公布了研究进展。

地质聚合物是由铝硅酸盐矿物形成的无机聚合物。从美国特拉华州到非洲，都能找到普通的黏土。当与高pH值溶剂（如硅酸钠）混合时，黏土就会溶解，释放出铝和硅，与其他物质发生反应，形成新的结构。最关键的是，月球和火星上的土壤中含有类似的黏土。

在微重力环境中，科学家将这种黏土与硅酸钠混合，倒入立方体模具中。7天后，测量每个立方体的大小和重量，然后将其压碎，可以了解新材料在载荷下的性能。具体来说，这种实验可以研究各种模拟土壤之间的化学差异是否会影响材料的强度。

试想，未来在月球上发射火箭，巨大的重量压在发射台上，材料的抗压性能成为一个重要指标。在地球上，人们能制造出具有完成这项工作所需的抗压强度的材料，而在月球表面，必须试制新型水泥。

科学家计算了宇航员在月球或火星表面建造发射台需要多少原材料，还将样品置于太空中的不同环境中，包括真空、低温和高温环境。在真空条件下，一些水泥样品的性能得到了验证。

总体而言，与在室温和重力环境中固化的地质聚合物立方体相比，微重力环境中生产的“外星水泥”性能有所增强。

编辑：姚志刚    winter-yao@163.com