地球以外的商品:太空制造成本更低

“在零重力的太空中，我们可以在30天内生产出在地球上需要30年才能生产出的救命药物。我们可以制造纯度极高的晶体来生产超级计算机，创造就业机会、技术和医疗突破，这些都是我们从未想过的。”

这是一个令人兴奋的提议。但这些雄心勃勃的言论最近并没有被提及。这是罗纳德·里根1985年国情咨文的一部分。

当时，美国宇航局已经花了十多年的时间进行实验，以确定大规模制造工厂能否在太空中运行。

宇航员查理·沃克(Charlie Walker)解释说:“当时的想法是，利用太空的失重状态，可以大量生产在地球引力下无法获得的药物和纯度。”他于1977年加入麦道公司，担任航天飞机轨道飞行器尾部推进子系统的测试工程师。他成为第一个在太空飞行的非政府个人。

“太空非常适合制造操作，因为它给了我们引力控制，”沃克继续说。“在地球上，我们无法实现完美的零重力，但在自由、开放的外层空间，我们有微重力，可以在制造过程中加以操纵。”

太空也提供了无限可能的真空。他说:“这是我们在地球上不可能轻易实现的——模拟任何一段时间的真空都是非常困难和昂贵的。”

在零重力和真空环境下，几种制造工艺可以相对轻松地进行。加州帕洛阿尔托Nasa艾姆斯研究中心的国际空间站项目太空生产应用战略集成顾问林恩·哈珀说:“对于包括生物材料和生物产品在内的一些材料制造业务，太空可以以对提高盈利能力、安全性或可用性至关重要的方式消除一些重力引起的缺陷。”

例如，合金可以更容易地制造出来。沃克说:“在地球上，要实现金属的均匀混合是非常困难的，因为重力会导致沉积，这会导致断裂点，降低材料的性能和功效。”“但当合金在没有重力的情况下进行时，由于没有对流、沉积或静水压力，合金的均匀性更强。”

Torrey Pines Logic公司是一家与加州空间光纤制造公司(FOMS)合作的工程公司，该公司总裁利奥•沃福森对此解释得更简单:“如果你泡一杯散茶，用勺子搅动茶叶，茶叶就会覆盖整个杯子。”“但当你把勺子拿开时，叶子就会落在底部。这是重力造成的。当重力较低时，当各种成分混合时，你可以确保一定程度的均匀性，而且它们将保持这种状态。”

沉积是另一种非常适合太空的工艺。“通过沉积，我们不是混合材料，而是将材料沉积在另一种材料的表面，”Walker说。“例如，这一过程用于光电池，以及我们今天普遍使用的微电子芯片。但要做得好，它需要在真空中完成。”

与此同时，与地球相比，太空中的晶体生长持续产生更大、更均匀、结构更好的晶体。“晶体在许多高科技活动中都很重要，包括医学，”哈珀说。“基于蛋白质的疗法的新趋势可以从在微重力下结晶其关键化合物中受益，以改善均匀性，改善剂量计算，质量控制和临床试验中改进的结果。”

然后是电泳，这是一种电动力学方法，在电场的影响下分离水溶液中的带电粒子。

“据我们所知，自然界中的每一种材料都具有固有的小电荷，”沃克解释道。“电泳技术利用了这一点，将混合物质放入缓冲溶液中，然后将其置于电场中。电场使不同电荷的物质分离。”

然而，这个过程会受到重力的影响。“重力会使我们很难，有时甚至不可能消除地球上的质量差异，”沃克说。“然而，在太空中，没有任何意义的引力，我们可以实现材料的均匀分离。这就是为什么我们设计了一个连续流动电泳(CFES)设备。”

CFES为分离大量高纯度物质提供了一种无可比拟的方法。沃克说:“我们的目的是继续大量制造纯医学研究级或制药级的生物材料——可以是细胞和细胞成分悬浮在蛋白质、激素和酶的液体或溶液中——以一种比地球上所能达到的更纯的形式。”“然后我们可以把它们带回地球，在那里它们将被加工用于医学研究，而不会有副作用的问题——因为纯化过程中不会出现杂质——而且会提高疗效。”

沃克陪同麦道公司的CFES设备执行了三次航天飞机任务，积累了20天的太空经验，旅行了820万英里。虽然在早期的四次试飞和他的三次任务中，所有的目标都达到了，但当时这个项目在经济上是不可行的。

“当时，承诺降低发射成本的做法反而增加了，挑战者号航天飞机事故大大降低了飞行速率和商业进入轨道的机会，”沃克说。这意味着将飞行器送入太空并返回地球的物理和财务风险水平太高。与此同时，我们的开发被迫推迟，这让基因工程的进步有了真正的前景，可以带来重大的竞争。我们很难得到使该项目商业化所需的承诺。”

但在过去的40年里，情况发生了巨大的变化。多亏了国际空间站(ISS)，以及Space X、Axiom Space等私营公司和其他创新者的工作，那些曾经需要花费数十万美元将一颗卫星送入轨道的公司现在只需花一小部分钱就能做到这一点。

沃克说:“通过135次航天飞机飞行，我们已经看到了数千次实验，证明了什么是可能的。”“太空旅行比以往任何时候都更可靠，更便宜。”

哈珀对此表示赞同:“在航天飞机的30年里，我们只在太空呆了大约3年半。但现在我们让国际空间站全年无休、全年无休地开放，公司可以使用该设施、迭代、学习并完善结果。”

永久空间站是促成因素之一，但还有其他考虑因素使这成为太空制造的真正分水岭。“我们看到对高科技产品的需求不断增加，这些产品将材料和工艺推向了原子和分子水平上的缺陷真正重要的地步，”Harper说。“这正是微重力可以发挥作用的地方，它与21^圣本世纪技术所追求的目标。国际空间站使公司能够在微重力条件下进行迭代和实践，以完善太空制造的艺术状态。”

专注于这一使命的公司并不少。

Harper说:“在以蛋白质为基础的药物领域，有两个成功的结果，都是由Paul Reichert领导的，他最初在Schlering-Plough，现在在Merck。”“此外，对于特种玻璃纤维和预制件的开发，四家公司已经成功地将30英尺(9米)的降塔制造设施缩小为30英寸(75厘米)的制造单元。”

事实上，一家名为水星系统(Mercury Systems)的公司在太空中实现了第一个性能目标。哈珀说:“另一家公司Apsidal用其30英寸的车间在地球上生产了2.85亿件(纤维)产品。”“这些公司目前正在对国际空间站上的硬件进行微调，并已开始初步运行。”

与此同时，FOMS已经开发了一种用于低轨道空间光纤制造的设备级仪器。

“我们正在太空中制造非常精细的玻璃光纤，”Torrey Pines Logic公司的沃尔福森说。“通过利用微重力，我们可以显著改善光纤的组成。因为我们的纤维比地球上制造的产品有更少的缺陷，所以它的性能要高得多。因此，我们的产品受到了在通信或电力等方面要求更高可靠性的客户的强烈追捧。”

FOMS的4ftx1英尺(1.2mx0.3m)制造设施就在我们说话的时候在轨道上。“我们在这方面已经取得了巨大的进展，并希望向其他希望在太空制造的公司开放，”沃尔森说。“这将提高许多初创企业的可访问性，因为我们已经完成了所有的基础工作。”

总部位于美国的公司LambdaVision和Space Tango在微重力环境下利用晶体生长和微重力环境下薄膜沉积方面取得了重大进展，这两者都用于开发人工视网膜。

LambdaVision公司的创新视网膜植入物包括多层从细菌中提取的光激活蛋白。植入物是通过一层一层的过程添加蛋白质制造出来的——这一过程几乎不可能在地球上均匀地完成。

然而，在国际空间站的微重力条件下，沉积和对流减少，蛋白质层可以更均匀地沉积，从而产生需要更少层的高质量植入物。这可以减少生产种植体所需的材料数量，降低制造成本，并加快生产种植体的时间。

Space Tango的联合创始人兼首席执行官Twyman Clements在一份新闻稿中说:“当我们探索微重力对广泛产品的开发和生产的巨大益处时，我们与LambdaVision的长期合作继续为我们提供有价值的学习，可能有一天帮助一些患者恢复视力，也可能导致其他重要的生产发现。”

进步并没有到此为止。以色列初创企业SpacePharma开发了一个鞋盒大小的微型实验室，可以被送往太空，用于在微重力环境下远程进行研发实验。

“我们的客户可以从地球进入实验室，”该公司的首席营销官保罗·卡蒙解释道。“它们可以非常精确地激活、执行和收集来自不同传感器的数据，比如温度、pH值图像和光谱分析。”

Kamoun说，在SpacePharma的帮助下，制药公司可以比以往更快、更可持续地进行研发过程。“在太空中，我们拥有自由能量。我们不污染我们的环境。通过使用机器人系统进行全自动实验，我们可以使用更有限的资源，”他解释道。“我们可以更快地做这些实验，因为这些过程在太空中加速了。”

因此，卡蒙相信他可以大幅削减典型的天文数字研发成本。他说:“一家公司开发一种新药的成本约为25亿美元。”这还不知道它是否会成功。与之相比，我们的成本可以忽略不计。我们说的是，在轨道上进行临床前试验最多需要20万美元，这可能会带来新的知识产权。”

不足为奇的是，许多公司已经涌向SpacePharma。“我们正在与化妆品、食品科技、农业科技、生物技术等领域的公司合作，”卡蒙说。“再生医学的干细胞研究是我们目前正在做的核心工作，但我们可以实现的可能性是无限的，就像人体的复杂性一样。”

SpacePharma的旅程才刚刚开始。“到目前为止，我们已经执行了7次太空任务，为28个客户进行了实验，”Kamoun说。“我们在每个任务中进行3到4次客户实验，但从2024年初开始，将增加到16次。”

这还不是全部。卡蒙说:“我们正在建造第一个工厂，预计将在2023年底或2024年初进入轨道。”“当然，这不会是制造你已经可以在地球上非常便宜地大量生产的产品。这是针对目前以微克为单位出售的非常昂贵的产品。这就是我们的机会所在。”

国际空间站项目的哈珀说，在其他领域，比如半导体和辐射探测材料，太空制造也有很大的机会。“在这里，努力才刚刚开始，”她说。“我们估计，在这些公司达到太空制造的最佳状态之前，至少需要10个学习周期，但这是会发生的。”

哈珀说，总的来说，在短期内，美国宇航局鼓励在国际空间站在2030年左右寿命结束前尽可能多地进行试验。她说:“在未来10年左右的时间里，我们可以提高技术水平，完善空中制造流程。”

从长远来看，她希望看到最有前途的技术过渡到商业近地轨道目的地，包括为地面市场服务的实际制造车辆和平台。她说:“深空的微重力和真空环境提供了额外的机会来改善材料和制造，这些地方需要极高的精确度。”“在太空中开发材料和产品的价值是看不到尽头的，特别是服务于高科技市场。”

然而，最让宇航员沃克兴奋的是他早期努力的成果，以及里根在20世纪80年代的梦想的实现。他说:“太空制造可能没有我们想要或预期的那么快，但它将会发生。”“只要能够在经济上促进进入太空、在太空中工作和带回产品，那么太空就会为制造业提供越来越多的机会，无论是在发现新工艺方面，还是在创造能够永远改变我们生活的新的创新产品和药物方面。”