美初创公司打造太空工厂,NASA重金支持,太空制造还是太空造梦?

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美初创公司打造太空工厂,NASA重金支持,太空制造还是太空造梦?
麻省理工科技评论 2019-11-04

2019-11-04

3D 打印技术不仅可以帮助卫星制造商在太空中制造更大的卫星,还有希望用于月球轨道空间站、月面基地和深空空间站的建设
3D打印 太空 商业
3D 打印技术不仅可以帮助卫星制造商在太空中制造更大的卫星,还有希望用于月球轨道空间站、月面基地和深空空间站的建设

当“Made In China” 的商品摆在各个国家商店的货架上,我们知道,这是经济全球化的产物;而当一个写着“Made In Space”的产品出现在地球的市场上,我们则要说这是太空制造时代的到来,这一天正离我们越来越近。
当地时间时间 11 月 2 日,美国弗吉尼亚州瓦勒普斯岛,轨道科学公司(Orbital Sciences Corporation)的一枚 Antares 火箭载着天鹅座飞船发射升空,向国际空间站补给物资。
来自美国初创公司 Made In Space 的一个塑料回收装置也将随飞船登上国际空间站,目的是将空间站上的塑料废品转化成 3D 打印机的原材料,并在空间站上就地进行 3D 打印操作。此前,该公司已经开了历史先河,首次将 3D 打印机送上了空间站。
这体现出 Made In Space 在太空上进行 3D 打印的强大野心,也开启了对太空制造业的商业模式探索。
Made In Space 的创始人 Jason Dunn 认为,3D 打印技术不仅可以帮助卫星制造商在太空中制造更大的卫星,还有希望用于月球轨道空间站、月面基地和深空空间站的建设。

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图丨Made In Space 的 3D 打印机(来源:Made In Space)

在太空建厂

Made In Space 多年来一直致力于在太空进行 3D 打印,持续开发能够投入商业运用的 3D 打印机,并计划最终在太空中打印和装配工业产品以及航天器等设备,在太空发展制造业。
其商业模式可以说是简单而粗暴:在空间站部署 3D 打印设备,将原材料带上太空并在空间环境中完成制造工作,产品最后跟随往返国际空间站的飞船送回地面。

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图 | 在太空打印光纤线缆(来源:NASA)

问题是,这事听起来有违逻辑,不太靠谱。在地球上,人们很熟悉制造业会往更低成本地区转移,而把产能放到遥远的太空中,人力成本极高、原材料运输需要依靠火箭进行。这样一笔生意要如何才能盈利?
如今,Made In Space 公司瞄准了一个颇有潜力的产品是在太空制造一种名为“超纯氟化物(ZBLAN)”的特殊光纤。这种材料具有比硅更高的红外透射性,主要用于高端激光器、光纤电缆、医疗产品等领域。
在地球重力环境下,生产这种材料的传统方法通过高温融化后,让其从高处滴落过程中拉伸成型。
但问题在于,这种材料中包含的不同成分密度是不同的,因此材料在冷却过程中会形成微晶体(microcrystals),这会影响材料在通信等领域中的应用,可以说是一种难以避免的缺陷。
理论上来说,微重力环境能够避免材料密度分离和结晶的出现,造出品质更好的 ZBLAN。这一效果在很久以前就已被证实,早在20世纪90年代,美国空军就通过抛物线飞行人为造出了微重力环境,并证明了微重力环境有利于制造ZBLAN。
Made In Space 首席执行官 Andrew Rush 表示,即使发射和返回的成本很高。在轨制造在经济上也是可行的。一公斤的原材料可以生产数千米的 ZBLAN 产品,其每米售价可超过 100 美元。相比之下,发射费用仅为每公斤数千美元,在火箭发射成本持续降低后,利润将自然会产生。
该公司表示,他们已经在 ZBLAN 的开发上投资了数百万美元,如今已经将微波炉大小的 3D 打印机试验产品送上了空间站。该项目仍处于研究阶段,产量也非常有限。不过 Rush 表示,计划明年推出一个更大的设施,足以生产更多的 ZBLAN ,并将其带回售卖。

NASA 重金支持太空制造业

不得不说,这些带有些许科幻色彩的太空技术背后,总有 NASA 的身影。今年 7 月,NASA 向 Made In Space 投资 7400 万美元,目标是在 2022 年发射一颗名为 Archinaut 的卫星。该系统具备在轨道上制造和组装大型结构的能力。

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图 | Archinaut 卫星(来源:Made In Space)

这项投资体现出 NASA 对太空 3D 打印的支持,这一举措的背景则是 NASA 正在打造一个空间站商业化运营的长远计划。
去年 9 月,NASA 公布了最新的太空探索计划,指出其目标包括了新一轮的探月计划,以及进一步登陆火星。而在这项宏伟的计划中,NASA 明确指出,现有的低地球轨道国际空间站将进行商业化。
NASA 深知,要实现真正的商业化,把空间站租给商业公司,最关键的一环就是让人相信和发现空间站存在真实的商机。NASA 也正在积极引导商业公司在空间站开展商业活动,向 Made In Space 投入巨资也正是一项代表举措。
在 NASA 看来,空间站商业化的重点之一就是太空制造,今年 8 月,NASA 局长Jim Bridenstine 向美国国家空间委员会表示,未来的 3-7 年时间内,制造业将有可能在轨道上产生商业需求。
对太空制造业产生兴趣的不仅仅是 Made In Space ,当 NASA 宣布对空间站进行商业化的时候,老牌军工企业洛克希德公司就提出将在太空制造 ZBLAN 作为空间站商业化的起点。
在 Bridenstine 看来,另一个尚未开发的方向是药品生产。在今年 8 月,NASA 与匹兹堡大学共同发起了工业生物医学联盟(Industrial Biomedicine Alliance ),致力于在空间站进行药品开发相关试验。
他们看中的正是太空的微重力环境,其优势在于,微重力环境可能会延迟干细胞的分化,从而扩大试验的时间窗口。除此之外,微重力的疾病加速效应也可能会让国际空间站成为一个难得的测试空间,团队希望在太空环境里用器官芯片(organs-on-chips)进行相关药物测试。
不过药品研发通常开发周期更长、成本也常常高达数亿美元,因此在空间站进行药品研发相关试验还处于初期阶段。

太空制造大时代

3D 打印也许是最适合太空制造的生产方式,简单说,它采用增材制造方式,不用剔除边角料,提高了材料的利用率。这也使多个初创公司聚焦于该领域的创新。
“打印一枚便宜又好用的火箭,发射上天;待日后技术成熟,再把“打印机” 带到火星,在火星打印一枚飞回来。” 这就是火箭初创公司 Relativity Space 的美好愿景。虽然目前这一想法还仅停留在纸面,但3D打印在未来探索深空任务时的应用前景恰是最值得期待的。
NASA 马歇尔太空飞行中心空间站科技办公室副主任 Raymond Clinton 表示,太空制造业已经在国际空间站开始了。
而在地球家门口的空间站上进行 3D 打印只是第一步。
NASA 计划在 2024 年实现人类重返月球,在时隔 50 年后,美国对人类登月有着更加远大的计划,NASA 希望能够提升在月球表面进行 3D 打印的能力。与此同时,NASA 还计划在 2033 年至 2035 年左右开始向更远的火星进发。为火星计划打好基础,NASA 计划在 2030 年前能够在月球表面进行进一步技术验证任务。
Raymond Clinton 认为,从月亮到火星的路线也为太空制造业的发展提供了一个契机。

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图 | 3D 打印大尺寸航天器(来源:Made In Space)

在近日举办的国际宇航大会上,NASA 和 Made In Space 共同谈到了即将到来的太空制造时代,他们认为在太空进行制造任务能够降低人类在太阳系内运输材料、设备的成本和复杂性。
太空制造的最大优势之一就是能够在太空环境下进行灵活打印。由于运载火箭空间有限,从地面向太空发射航天器等设备会受到严格的尺寸限制,同时设备需要能承受发射过程中的温度、震动等条件。
Made in Space 副总裁 Justin Kugler 表示,若在太空中打印设备,设计师、工程师就无需考虑设备能否在火箭发射过程中的所有环境因素,从而优化航天器等设备的功能和使用寿命等。
“这意味着我们可以运送更高密度的物品和设备,进而降低成本,以更高效的方式完成更多任务。”Made In Space 表示。
该公司在国际宇航大会上放下豪言:未来十年将是太空制造业的“新时代” ,这不仅是因为人类将重返月球、冲击火星。更是因为,在太空制造的帮助下,进行深空探索的过程将变得更加廉价。

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