刘秉军

国际空间站正在开展一个新的实验项目——在太空中3D打印人造器官。如果实验成功，那么未来需要移植器官的患者将不必依赖器官捐献。太空环境相当于一个活跃的实验室，能够挑战许多科学和技术领域的极限。一些在地球上完全难以想象的新技术、新产品，正在太空中被成功孵化。

人造器官和再生技术

据英国《新科学家》杂志报道，国际空间站上的新型实验设施被称为生物制造设施（BFF），是不久前由SpaceX火箭送达国际空间站的。该设施的核心是一台3D生物打印机，它正尝试在太空中打印人体组织——用于修复受损心脏的心脏补片。

许多科学家都致力于开发人造器官，尽管取得了不少成果，但仍然面临巨大挑战。尤其是人造器官在制造过程中需要依附于支架，这样才能保持特定的形状，但到目前为止，还没有一种支架可以在不损害人造器官的情况下被顺利移除。研究人员一方面致力于开发更精巧的易于移除的支架，另一方面也致力于在太空实验室中开发人造器官。太空中的微重力环境可以在不需要支架的情况下生产人造器官，从而开辟一条新的道路。

BFF由宇航员在国际空间站中组装。它的工作原理是在“细胞培养反应器”中用人造细胞打印组织，最终形成器官。研究人员预计初步实验将持续几个月，最终打印出的人造器官将被送回地球进行研究。

与国际空间站合作的美国Techshot公司总裁兼首席执行官约翰·韦林格表示：“利用3D生物打印机在太空中培育组织或器官，从技术和生物学的角度来看，需要经历艰难的实验和测试过程，而一旦成功，那么对于生物学和医学来说都将是重大突破。未来需要移植器官的患者将不必依赖器官捐献，用患者自己的干细胞就能生产人造器官。”

除了3D打印人造器官，科学家们还有更加激进的设想——在太空中研究人体再生器官的可能性。

涡虫是地球上最简单的生命形式之一，但它有一个令人难以置信的能力：如果把它切成两半，那么每一半都能长成一条完整的涡虫。这种强大的再生能力源于在涡虫的全身分布着干细胞网络，一旦其身体被切割，那么干细胞就可以随时生长出新的身体。

科学家们很早就开始在地球上研究涡虫再生的原理。如今国际空间站上的科研人员正在研究，在微重力环境下涡虫体内的干细胞是如何发挥作用的。为了太空之旅，涡虫付出的代价可以说非常高：它们在地球上被切掉头或者尾巴，随后被送往空间站。生活在空间站里的涡虫被严密监控，科学家们跟踪观察它们被激活的再生基因，并与地球上观测到的涡虫再生能力进行比较。在太空中对涡虫进行研究，有助于研发一种能使人体在微重力环境中进行自我修复的再生技术。

未来材料技术的突破口

太空中可以产生比地球上效果好1万倍的真空环境，研究人员利用这种“超真空”环境开发出各种稀有材料，这是决定未来材料技术发展的突破口。

太空新材料开发的先行者是美国。早在20世纪90年代，美国就在航天飞机上配备了“真空尾迹屏罩设备”（WSF），它是一个直径3.7米的不锈钢圆盘，跟随航天飞机在太空中飞行，其内部形成“超真空”环境。美国科学家利用WSF合成了一种超薄、超纯净的薄膜材料，用于制造新型半导体材料——这是太空新材料的首次应用。在那之后，国际空间站上一直设有新材料开发实验室。

中国在太空新材料开发方面的进展很快。中国“天空二号”飞行器被视为未来空间站的雏形。它配备的综合材料实验装置，外表看起来像一颗小型核弹，其实是一个新材料实验炉。另外还有一个电控箱——控制加热条件和实验参数都要靠它。实验炉开发出的新材料样品由专门的样品袋保存。整套系统加起来只需要200瓦的功耗，而炉内的最高温度可以达到950摄氏度，能融化玻璃和银等材料。

目前中国已经在太空中开发出了新型纳米材料、高温合金、红外探测材料、磁性半导体、高性能热电半导体、单晶合金、新型金属基复合材料，等等。这些材料都具有潜在应用价值。例如航空发动机的叶片要采用单晶合金，它研发难度大，研发流程复杂、周期长。正是基于这样的情况，中国的航空发动机叶片一直存在技术瓶颈。“天宫二号”和未来的中国空间站，有望通过开发新材料突破这一技术瓶颈。

在地球上生产一些重要的工业元件，需要克服诸多环境因素的影响，其中重力是个很重要的因素。例如中国在研发直升机的过程中，为了开发主减速器上的一个合金齿轮，耗时18个月，汇集全国数十家工厂进行技术攻关，最终才制造出合格的齿轮样品。航空发动机的叶片更是一种生产难度极大的产品，它需要至少5种不同的基础加工方法、100多项流程，还有上千项注意事项。如果能够在太空中开发相关技术，未来形成大规模生产线是有可能的。单晶合金仅用于制造单晶叶片，这样的叶片一台航空发动机只需要100—200片，总重不超过50千克。在成熟的空天往返运输系统的支持下，在太空中生产然后运回地球是可以实现的。

具有新用途的特殊植物

在太空中，植物生长所需的水和肥料相对较少，而生长速度是地球上的三倍，还可以使一些植物产生新的特性。太空植物实验室有助于研究如何在微重力环境下提高农作物的产量，并培育具有新用途的特殊植物。

在太空中培育植物的灵感来自于美国航天飞机的一项实验。航天飞机曾携带玫瑰花登上太空，研究人员和相关企业在此基础上开发出一种新的玫瑰香料。玫瑰花顺利地在航天飞机中生长起来，宇航员提取了玫瑰花挥发的香油。研究表明，“太空玫瑰”的香味挥发时间更长，而且非常独特。日本资生堂化妆品公司复制了这种“太空玫瑰”产生的气味分子，开发出著名的“Zen”系列香水。

目前，宇航员已经在国际空间站的植物实验室中培育出了第一朵花——漂亮的百日菊。从外表上看，其颜色和形状与地球上生长的品种差异不大，但生长周期（即花期）较长，而且它的香味更加宜人。

在太空中培育植物所面临的挑战不小。首先，微重力环境会对植物的根产生影响;其次，太空中不具备植物生长所需的条件：没有光照，湿度大，空气流动不畅以及容易受到宇宙射线的影响，等等。那么，宇航员是怎么做到的呢？他们用针管给植物根部的培养基补水;采用红、蓝、绿LED灯光模拟植物生长所需要的阳光，比如在百日菊的生长的环境中，LED灯会保持10小时开、14小时关，模拟地球上的光照条件;利用特殊的设备创造合适的湿度和空气流通环境。

太空中的发电站

在太空实验的“计划表”中，还有一项实验很快将被提上日程——太空发电。

美国“亚特兰蒂斯号”和“哥伦比亚号”航天飞机都曾进行过类似的实验——在太空中释放卫星，卫星通过一根21千米长的绳索连接着航天飞机，航天飞机拖曳着卫星在太空轨道上飞行。这一实验被称为“绳系卫星实验”，是科学家们受风筝的启发而设计的，其原理是当绳索经过地球电离层时，會切割磁场的磁力线，电离层中的电子聚集到带正电的卫星表面，并沿着导电的绳索传到作为负极的飞行器上。然后，飞行器上的电子枪把电子发射回电离层，从而形成闭合电路，这样就可以实现在太空中发电。

可惜的是，航天飞机进行的实验并不算成功。由于一个螺栓安装不当，绳索被卡住，“亚特兰蒂斯号”只释放了256米长的绳索。幸运的是，卫星完好无损地回收到航天飞机舱内。“哥伦比亚号”把卫星放得更远，但当卫星距航天飞机达19.7千米时，绳索突然断裂，卫星连着断绳飞向了更高的轨道，脱离了控制。

虽然两次实验都没有成功，但实验的目的部分达成——证实了绳系卫星确实能产生电能。第一次实验中测得的电压为40伏;第二次实验，在绳索断裂之前，卫星产生了3000伏的电压。

空间站的稳定性高于航天飞机，以空间站为基站的绳系卫星有望产生稳定的电流，从而实现在太空中发电。这种电能可以为空间站和其他飞行器服务，也可以通过特殊的途径传回地球，从而为地面上的设备提供能量。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com