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The great commercial takeover of low Earth orbit

2024/11/27
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MIT Technology Review Narrated

AI Deep Dive AI Chapters Transcript
People
A
Area Ebo
C
Coal Wagner
D
Daniel Goldin
D
David Hitt
L
Lori Garver
M
Michael Bain
N
Narrator
一位专注于电动车和能源领域的播客主持人和内容创作者。
S
Stephen Platt
X
Xiomara
Topics
Matt Honan和Rattle Courtland介绍了关于国际空间站未来和私人空间站兴起的报道。报道指出,国际空间站将在2030年左右退役,NASA希望私营公司接管低地球轨道空间站的建设和运营。 Daniel Goldin强调了国际空间站对于生物医学、电子学、材料工程和人体在微重力环境下的研究的重要性,认为其对于科学研究至关重要。 旁白总结了国际空间站在材料和医学研究以及帮助我们了解太空对人体影响方面的贡献,并指出NASA与私营公司合作开发新的商业空间站,用于研究、制造和旅游,这将开启一个新的太空探索时代。 David Hitt阐述了太空探索的三步走战略:运输、居住和探索,并分析了阿波罗登月计划跳过居住阶段对太空探索长期可持续性的影响。 Stephen Platt讨论了长期太空飞行对人体的影响,例如直立性耐受不良和视神经系统疾病,并指出随着探索范围扩大到月球和火星,风险等级会提高。 Michael Bain介绍了Axiom Space公司的目标,即建造第一个私人商业空间站,并利用国际空间站作为建造平台,分段组装以降低风险,并利用现有的用户基础获得商业优势。 Lori Garver认为将低地球轨道基础设施移交给私营部门,可以使NASA有能力进行更深层次的太空探索。 Coal Wagner讲述了Labcyte公司如何利用微重力环境制造人工视网膜,以治疗视网膜色素变性症和黄斑变性症,并介绍了其在国际空间站国家实验室进行实验的过程和成果。 Area Ebo指出国际空间站为下一代以产品为导向的空间站奠定了基础,并展望了月球经济的未来。 Xiomara强调了私人空间站时代将带来的更多空间和机会,使更多的研究人员能够参与太空研究,并展望了未来研究生能够重复进行太空实验的可能性。

Deep Dive

Chapters
The International Space Station (ISS) is set to retire around 2030, and NASA hopes private companies will build new space stations to take its place.
  • NASA plans to destroy the ISS by pushing it out of orbit and into the Pacific Ocean.
  • Private companies are already working on building new space stations.

Shownotes Transcript

欢迎来到麻省理工学院技术评论播客。我的名字是马特·霍南,我是我们的主编。

每周,我们都会为您带来一篇来自科学和技术前沿的引人入胜的深度报道,涵盖人工智能、生物技术、气候、能源、机器人技术等等主题。这是本周的故事,我希望您喜欢它。我的名字是拉特尔·科特兰,是麻省理工学院技术评论的约稿编辑。

我很高兴能为您带来这篇关于空间站未来的报道,作者是戴维·W·布朗。国际空间站长期以来一直是国际合作的象征,也是围绕地球轨道进行各种研究的平台。

但大约在2030年左右,国际空间站将退役,这将涉及将其从轨道上推离,使其坠入太平洋。那么,什么将取而代之呢?

美国宇航局希望私营公司接管,并且已经有几家公司正在努力建造新的空间站。今天我们要讲的故事就是关于这项努力的。我希望您喜欢。

由诺亚播讲。在NewsOverAudio.com或我们的应用程序上收听来自世界顶级出版商的更多精彩文章。华盛顿特区

1993年6月23日天气炎热潮湿,但没有人比美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁更紧张了。他站在众议院议事厅外,紧张地注视着电子计票板上显示的投票结果。空间站似乎要泡汤了。到那时,美国已经花费了超过110亿美元,有数千磅的文件可以证明,但却没有一磅飞行硬件。

空间站的命运现在取决于众议院的取消投票。从政治上讲,空间站有点像烫手山芋。这是一个始于里根政府9年前的倡议,乔治·H·W·布什将其扩展为重返月球和尝试到达火星的中心内容。当选民用比尔·克林顿取代布什时,戈尔丁说服新总统保留空间站,将其定位为后苏联重建工作。

俄罗斯人正在帮助建造空间站,这将为美国宇航局节省一大笔资金——研发经费。反过来,美国宇航局的资金将使俄罗斯的火箭科学家就业,并降低他们为敌对外国势力工作的可能性。

然而,对美国宇航局的不满是两党共有的。似乎每个人都同意该机构臃肿且效率低下。印第安纳州民主党众议员蒂姆·罗默希望进行一些重大改革,他提出了一项修正案,要求一劳永逸地取消空间站。

在投票前的36个小时里,戈尔丁打了100多个电话,希望说服立法者支持空间站,他认为空间站对于研究生物医学、电子学、材料工程以及人体在完全陌生的环境中的行为至关重要。在微重力下,从分子水平来看,物质在太空中的行为大相径庭,而航天飞机上的短期飞行不足以进行深入研究。

真正的研究需要在太空中永久存在,这意味着需要一个空间站。空间站的支持者们原本预计会赢得投票,但优势不会很大,也许是20票左右,但投票进行得越久,双方的差距就越小。随着一方开始领先,110名新国会议员(他们以前从未参与过涉及空间站的投票)的表现不如预期可靠。

最终,计票结果为215票对215票,还剩一票。佐治亚州众议员约翰·刘易斯,一位民权传奇人物。当刘易斯沿着走廊走向议事厅时,戈尔丁的立法助理杰夫·劳伦斯告诉戈尔丁说点什么,任何能让他改变主意的话。当刘易斯走过时,戈尔丁只有一两秒钟的时间。他所能说出的只是粗鲁而诚恳的话。

刘易斯先生,太空计划的未来取决于您。他补充道,国家正指望着您。您将如何投票?刘易斯笑着走过。他说,我会告诉你的。空间站(后来命名为国际空间站)以216票对215票的微弱优势幸存下来。

五年后,俄罗斯从拜科努尔发射了第一个舱段。从2000年11月开始,太空从未有一天没有人类存在。国际空间站运行了20年,比预期多运行了6年,尽管它已经显露出老态,美国宇航局目前正在研究如何在2030年左右安全地摧毁这个空间实验室。这将涉及一个无人驾驶飞行器与国际空间站对接(国际空间站的大小相当于一个足球场,包括端区),然后点燃推进器。

这样一来,以每秒5英里的速度绕地球运行的空间站就会精确地坠入太平洋中部,避免陆地撞击和人员伤亡,空间站的残骸最终沉入海底。然而,美国在近地轨道的传奇故事将继续。

国际空间站从未真正成为一些人所希望的那样,成为人类在太阳系中不断扩张的立足点。但它确实促进了材料和医学方面的基础研究,并帮助我们开始了解太空如何影响人体。

为了在此基础上继续努力,美国宇航局已与私营公司合作,开发用于研究、制造和旅游的新型商业空间站。如果他们成功,这些公司将开启一个新的太空探索时代,私营火箭将飞往私营目的地。他们还将展示一种新的模式,即美国宇航局建造基础设施,私营部门接管,从而使该机构能够在更深远的太空进行探索,并重复这一过程。

他们已经在计划在月球周围这样做。有一天,火星也可能实现。从太空时代的黎明开始,空间站就被视为离开地球的必要条件。

美国太空计划的主要设计师沃纳·冯·布劳恩称它们是“像太阳升起一样不可避免的”,并表示它们将成为任何可持续探索计划中不可或缺的一部分,从而降低成本和复杂性。事实上,他建议在月球或火星计划之前建造一个空间站,以便探险队有一个后勤中转站进行补给和休整。“进入20世纪60年代,人们普遍认为太空探索将是一个三步走的过程,”戴维·希普(《太空家园:天空实验室的故事》的合著者)告诉我。

他告诉我,第一步是运输,你必须以某种方式离开地球,这意味着发展建造安全载人火箭并发射它们的必要基础设施。第二步是居住。一旦你进入太空,你就需要一个居住的地方,它本身就是一个科学实验室,也是地球和其他天体之间的后勤中转站。

他说,一旦你拥有了运输和居住条件,你就可以迈出下一步,那就是探索。在苏联首先用斯普特尼克1号卫星进入轨道后,这种心态发生了变化,之后尤里·加加林成为第一个进入太空的人后,这种心态再次发生变化。约翰·F·肯尼迪总统承诺,在本十年结束前,将一名宇航员送上月球并安全返回地球。考虑到美国宇航局仅仅在三周前才成功将一名宇航员送入太空,这是一个极其雄心勃勃的目标。这需要快速行动。

而做到这一点的方法就是放弃三步计划中的第二步。“事实证明,如果你跳过居住阶段,它也能奏效,”他告诉我。“美国登上了月球,但这种方式并没有为该计划的长期可持续性奠定基础。我们仍在努力实现这一点。”在最后一次阿波罗任务两年后,美国宇航局发射了第一个美国空间站——天空实验室,它改编自土星5号登月火箭的第二级。

它非常巨大,长99英尺(30米),是迄今为止发射的最重的航天器。美国宇航局最终将向空间站发射三组三名宇航员,他们在那里进行100多项实验。“从某种意义上说,天空实验室是美国太空探索的第一个里程碑,”希普说。

“在天空实验室之前,我们进行的是登月任务,即使追溯到水星计划,目标始终是月球。天空实验室是太空本身第一次成为目的地,它的目标也为后来出现的国际空间站奠定了基础。”天空实验室教会我们的最重要的一点是,人类实际上可以在太空环境中长期生活和工作。

如果我们认真考虑前往火星,那么你在太空中的时间可能会比在火星表面上的时间长得多。天空实验室仍然是唯一一个完全由美国建造和发射的空间站。1986年,苏联发射了和平号空间站的第一个舱段,这是一个像乐高积木一样逐段建造的模块化空间站。

由于美国宇航局已经停止了土星5号火箭的生产,该机构也必然采用了同样的模块化空间站模式,最终与俄罗斯和其他国家合作建造了国际空间站。如今,它与中国永久性空间站(其第一个舱段于2021年发射)共享太空。

这些空间站都没有像冯·布劳恩设想的那样充当月球或火星的中转站。为了满足这一要求,美国宇航局正在开发一个名为“星际之门”的未来空间站,旨在服务于月球。它的第一个舱段可能在2025年发射。

尽管它们从未成为交通枢纽,但每个空间站都促进了这项关键事业:了解长时间太空飞行对人体的影响。在和平号空间站执行任务的俄罗斯宇航员瓦列里·波利亚科夫保持着连续太空飞行时间的世界纪录,为437天。研究人员对人体如何对太空做出反应仍然知之甚少。

我们拥有超过1000亿人类在30万年间的集体经验。然而,关于人体,仍然有很多谜团。我们应该吃什么?在63年里,只有不到1000人去过太空。

此类研究只能在永久性空间站上进行。“在航天飞机计划期间,我们研究的是短期太空飞行(几周)对人体的影响,”美国宇航局人类研究计划首席科学家斯蒂芬·普兰茨告诉我。“问题之一是直立性耐受不良,即人体无法调节血压。”

大约四分之一从太空返回的机组人员都受到了影响。一旦美国宇航局和俄罗斯发射了国际空间站,太空飞行的持续时间从几周增加到几个月,这个数字上升到了80%。

“我们花了大量时间试图弄清这种机制,最终找到了对策,因此现在这种风险被认为已经消除。”他说,其他挑战包括太空相关的视神经萎缩综合征,这是一种眼睛结构和功能的变化,研究人员大约10年前发现了这种现象。“我们并没有在航天飞机上看到这种情况,但随着我们开始进行越来越多的空间站任务,我们看到了这种情况,”普兰茨说。他们还发现了大脑的微小结构变化。

“但是,如果你必须弄清楚这在长期意味着什么,这是一个相对较新的风险,我们以前不知道。”总的来说,他说,人体在太空调节自身功能的能力令人惊叹。该小组正在研究大约30种太空探索对人类造成的风险,并使用颜色编码方案对其进行分类。

绿色问题得到很好的控制,黄色风险是中等关注的问题,红色风险必须在任务成为可能之前得到解决。目前,对于近地轨道来说,没有红色风险。所有风险都是黄色和绿色。

“我们对此相当了解。我们可以处理它们,但当我们到达月球时,我们会看到更多的黄色和一些红色,当我们到达火星时,我们会看到更多的红色。”然而,普兰茨说,有些事情我们现在知道是问题,我们正在努力尝试从研究角度或工程角度来解决它们。

有些问题只能在我们进一步探索太空时才能研究。例如,火星尘埃对人体的长期影响。其他问题,例如精神疾病的意外发生,可以在更近的地方进行研究。

美国宇航局和其他机构目前正在国际空间站上研究所有这些问题,我们需要在空间站退役后很久继续进行此类研究。这就是为什么必须有人发射一个成功的空间站的原因之一。

为此,就像美国宇航局在2006年至2011年期间对太空探索公司所做的那样,该机构已经向几家公司提供了少量投资,承诺租赁新兴空间站上的空间。而现在,即将发射的空间站很可能诞生于德克萨斯州一个购物中心内一个大型前弗莱电子零售店。在一个寒冷的1月早晨,我在休斯顿艾克西姆空间公司空间站开发设施的入口处遇到了该公司首席技术官迈克尔·贝恩。

贝恩的职业生涯始于美国宇航局约翰逊航天中心,就在这条路的尽头,他做过从航天飞机到实验性月球着陆器的一切工作。后来,他离开该机构,加入直觉机器公司担任首席工程师。2023年2月,该公司的新月号航天器成为自1972年阿波罗计划结束以来第一个成功着陆月球的美国航天器,使直觉机器公司成为第一家成功着陆地球以外天体的私营公司。贝恩自2016年以来一直在艾克西姆空间公司工作。这家初创公司的长期目标是建造第一个私人商业空间站。它已经成功地组织和管理了三次前往国际空间站的私人任务,很大程度上是为了研究人类如何在太空中工作和生活,以便他们能够设计出更用户友好的产品。

Axiom是否是唯一一家有兴趣发射私人空间站的公司?最值得注意的是蓝色起源公司在21年宣布,它将与太空公司Orbital Reef合作,建造一个混合用途的商业园区,能够同时容纳多达10人在近地轨道工作。今年1月,Axiom成功地对其实验舱的三分之一比例模型进行了压力测试,计划在2027年利用蓝色起源的New Glenn火箭将空间站送入轨道。其他公司,如洛克希德·马丁公司,也已进军该市场,尽管他们的进展尚不明朗。

Axiom计划以截然不同的方式建造自己的轨道设施。当我进入该设施时,墙上方的天花板上悬挂着大型、低保真度的航天器模型,包括X-38(一种用于空间站机组人员的实验性紧急返回飞行器)和Zvezda(国际空间站的俄罗斯舱段),该舱段如今饱受老化引起的应力、裂缝和由此造成的泄漏困扰。机组人员的飞行器不再与它对接。建造一个完全自给自足的空间站非常困难。

“一次发射就位,”Bain说,我们走过一个开放式概念的立方体农场,绕过这些模型。“大约500名男性和女性正在设计一个空间站来取代Zvezda和国际空间站的其余部分。”

“你想做的是在太空中分段组装,”他说。“最简单的方法是从现有的东西开始,那就是国际空间站本身。”他们预计在2026年发射Axiom-1。

Axiom-1是一个圆柱形舱段,带有机组人员舱室和制造能力,它将连接到国际空间站上的一个开放式接口。之后,Axiom计划发射Axiom-2,扩展居住、科学和制造服务。

然后,他们希望发射一个研究和制造设施,该设施配有全景玻璃圆顶,让Axiom宇航员和空间站的访客能够完整地欣赏地球,以及空间站的连接。最后,该公司打算发射一个动力热模块,该模块配备大型太阳能电池板、扩展的生命支持能力和有效载荷能力。每个新的舱段都设计成可以连接到之前的Axiom舱段。

“这是一个雄心勃勃的目标。有一个最后期限。”实际上,除非国际空间站……

……获得新的生命周期,否则所有东西都必须在2030年前发射并组装完毕。一旦NASA正式宣布国际空间站任务完成,类似乐高的Axiom空间站将与国际空间站分离,成为一个独立的、完全自给自足的空间站。

“之后,轨道离轨飞行器将完成其工作,并将国际空间站送入海洋。能够利用国际空间站作为建设我们能力的出发点,这大大降低了风险,”他解释说,该计划还提供了巨大的商业优势。“已经有强大的全球用户基础,由公司和研究人员组成,他们将项目送往国际空间站。”

“为了争取这些用户,并转向商业解决方案,如果你的位置就在他们所在的位置,那就更容易了,”他说。“从技术接口到Axiom空间站处理材料废料的方式,都将与现有的国际空间站兼容。”

“硬件。我们必须达到与NASA相同的标准。很多人都在押注,近地轨道将带来巨额财富。”

“正因为如此,美国纳税人没有为Axiom空间站买单。尽管NASA最终打算租用Axiom-2上的空间,并且已经拨款数千万美元启动早期开发工作。这个商业空间站是由数亿美元的私人资金建造的。”

“商业研究和制造的培育工作正在进行中,这是NASA自格里芬担任局长以来的目标。‘我们想把航天飞机和空间站的钥匙交给私营部门,’前NASA副局长、著作《逃离重力》的作者Lori Garver说,‘然后相信,如果我们能够移交近地轨道基础设施,NASA就能走得更远。我真的很认同这一点。’”

Garver后来推动了商业太空飞行模式,该模式促使SpaceX和其他公司接管发射服务,为该机构节省了数百亿美元,同时加快了发射速度。同样的模式也导致了Axiom空间站的工作。“在1988年发射第一个模块后,我们宣布太空向商业开放,”Garver告诉我。“第一个联系我们的人是Fisk Johnson,来自SC Johnson & Son。他想与NASA合作开发一种生物反应器,以帮助在微重力环境中为肝病创造新的药物。我在NASA与他合作了大约三年。”

Garver说:“不幸的是,他们的飞行任务是哥伦比亚号,我们在悲剧中失去了实验。在接下来的几十年里,商业研发有所增加,但也有局限性。”NASA、

俄罗斯和其他伙伴国并没有专门将国际空间站设计成大型研究和制造设施。其中一个原因是,没有公司选择直接购买该空间站,因为翻新它将比Axiom选择的那样建造一个新的空间站或租用现代化的继任者空间站更复杂、更昂贵。

当我们来到建筑物深处一个令人惊叹的Axiom-1全尺寸模型前时,我问Bain,从NASA已经开发的技术解决方案(例如环境系统的工作方式)开始,是否会从工程角度简化Axiom空间站。“你可能会这么认为,”他回答说。“但这些都是非常严格的标准,需要非常细致的关注,大量的测试和分析才能证明你满足与国际空间站对接所需的条件。这会产生大量的工作,但最终你会得到一个非常可靠的结构或组件。”

“机组人员可能因此而丧生的可能性非常非常小。”直到看到这个模型,我才意识到这艘航天器的巨大。它最宽处为15英尺(4.6米),长36英尺。

与国际空间站对接的Axiom-1,在地球上重30吨,可容纳4名宇航员,将成为空间站上最长的舱段。整个模型是用数控机床制造的,但该模块的进展远超模型阶段所能体现的。

它的耐压舱(即其主要结构,用于保持空气并维持近地轨道真空中的地球压力环境)及其连接件基本上已经完成,很快将由建造许多国际空间站舱段的同一承包商从意大利运来。

Bain带我参观了一个分区设施,在那里,Axiom空间站的航空电子设备、推进系统、生命支持系统、通信系统和其他子系统都已进入开发阶段。我们所处的这座前精密电子建筑物,为这些系统增添了一种自制元素,其中许多系统散落在桌子上,形成复杂的电线、管子、电路板和芯片网络。该空间站将运行Linux系统。

Axiom建造了这个模型来解决一个几乎滑稽地基本的问题,但像这样的任何项目都面临着一个挑战:将耐压壳体以及无数的子系统和组件变成一个对人类安全的航天器。“你不能像在气球上戳洞一样在耐压壳体上随意打洞。”为了保持其形状,Axiom必须在内部和周围建造该模块。

“这是一个‘瓶中飞船’问题,”Bain说。“你基本上必须通过一个50英寸的舱口输送所有系统,并将它们集成到舱段中。”他认为这是业内最难解决的问题之一,因为它不仅仅是在耐压壳体内组装系统。休斯顿,它还关乎使空间站易于在轨道上维护。

如果出现技术问题,旅游和研究人员可能是私人太空飞行的最知名用途,但Axiom还考虑了空间站的其他功能,包括作为尚未参与将人类送入太空的国家的目的地。2023年,该公司宣布了Axiom太空准入计划,该公司首席营收官Tech Pol Bota将其描述为“为世界各国提供的空间计划套装”。

Axiom表示,该计划正在发展,但它是一条参与太空的途径。阿塞拜疆是第一个签约的国家,但近期最具前景的商业前景是制造业。近地轨道是制造以下三个领域产品的特别好的环境:制药、冶金和光学。

微重力消除了许多可能干扰制造过程敏感步骤的物理现象,从而产生更一致的材料特性和结构。Axiom和蓝色起源公司押注的是,围绕国际空间站几十年实验经验构建的现代空间站,但摆脱了其1980年代和1990年代的技术,将带来回报。

作为鼓励公司开发自己空间站努力的一部分,NASA承诺租赁满足该机构严格的人类太空飞行要求的空间站,就像大型购物中心的主要租户可以提供财务稳定性和吸引更多租户一样。这与……

……位于佛罗里达州梅尔伯恩的美国国家实验室,专门资助和支持可能受益于微重力研究的非NASA太空公司。生物医学尤其取得了最好的成果,其近期影响最好地体现在Labcyte公司身上,该公司由分子生物学家Coal Wagner和Robert Birge于2009年创立。

使人们对近地轨道前景最感兴趣的是,Labcyte公司并非作为一家航空航天公司成立的。相反,Wagner和Birge是在他们对一种名为细菌视紫红质的蛋白质及其恢复神经功能的潜力进行研究的基础上,建立了一家传统的地球空间公司。细菌视紫红质是一种质子泵,顾名思义。

它将质子从细胞的一侧泵到另一侧。他们关注的是视网膜色素变性和黄斑变性问题。在健康的眼中,感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)接收光线并将其转换为信号,该信号传递给双极细胞和神经节细胞,最终到达视神经。在这两种疾病中,

视杆细胞和视锥细胞开始死亡,一旦它们消失,就没有东西可以接收光线并将其转换为可以发送到大脑的信号。视网膜色素变性影响着全世界150万人,它首先影响周边视力,并向内发展,导致严重的管状视野,然后导致完全失明。黄斑变性则相反,它首先影响中心视力,然后向外扩散。

全世界约有3000万人患有这种疾病。这两种疾病都有治疗方法,但即使是最好的治疗方法也只能减缓其发展速度。最终,失明会获胜。一旦失明,就没有治疗方法了。

Wagner、Birge和他们在Labcyte的团队有了一个想法,一个可能有所帮助的想法:一种简单的、灵活的植入物,大小与打孔机冲出的圆圈差不多,厚度与一张建筑纸一样,可以替代受损的感光细胞并恢复全视力。原则上,眼科医生可以像治疗视网膜脱离一样在眼睛后部植入这种贴片,因此甚至不需要专门的培训。问题是如何制造这种人工视网膜植入物。这需要使用支架材料(一种类似于纱布的紧密编织的微孔材料)并将聚合物结合到其中。

为此,研究人员开始交替涂覆细菌视紫红质蛋白和聚合物。如果层数足够多,蛋白质就能吸收足够的光线并泵送质子(氢离子),专门针对双极细胞和神经节细胞,然后由它们传递,从而以高清方式恢复视力。

为了涂覆多层,科学家们将支架漂浮在一个多层烧杯中的溶液中,从一个烧杯移动到下一个烧杯,并重复该过程。问题是流体溶液从来都不是完美的。物质会流动。

它们会沉降、形成沉淀物、蒸发。存在对流。存在表面张力变化。每一次变化和缺陷都可能导致一层出现缺陷。

如果植入物需要200层,而第50层出现缺陷,那么到最后,该过程效率低下,并且蛋白质沉积不规则。早期的试验表明,这个问题会对人工视网膜的性能产生负面影响。Labcyte希望通过大规模挑战来解决这类问题。

一个位于波士顿的商业孵化器项目当时正在一个商业加速器联合办公空间工作。2017年的一天,我与一位谷歌员工(我感觉她很聪明)在开放式办公室里聊天。周围都是聪明人,他坐在办公桌旁,他们正在设计它。当有人过来告诉他国际空间站国家实验室正在大厅举行午餐会,有三个比萨饼时,

“为什么不呢?”我想,“听NASA的人谈论月球和火星会很酷。”

然而,当他到达那里时,事实证明这根本不是那种演讲。相反,来自CASIS(科学与空间进步中心,一个运营国际空间站国家实验室的非营利组织)的代表们发表了演讲,讲述了他们如何利用微重力来帮助地球上的人们。美国的

国际空间站部分,就像洛斯阿拉莫斯、橡树岭和布鲁克海文一样,是一个致力于科学和技术研究的国家实验室。该办公室只是视野更好。大约一半在美国进行的科学研究

国际空间站部分由佛罗里达州的国际空间站国家实验室管理,其余部分由NASA监督。

这种资源分配允许在空间站上进行广泛的科学研究。NASA的研究通常侧重于探索、空间技术和基础科学,以支持未来的太空任务。国际空间站

国家实验室的目标是发展可持续的近地轨道经济,涵盖材料科学、生物学、制药、信息技术研究和技术开发等领域。在空间站上进行的研究涉及冶金和光纤。像镍钛合金这样的合金能够承受巨大的温度变化,并且具有超弹性,在医疗设备、航空航天和机器人(例如人工肌肉)方面具有非凡的潜力。问题在于,镍钛合金在地球上极其难以制造,因为材料会沉淀出来,并且在制造过程中可能会不均匀地受到干扰,从而产生不可靠的产品。

同样的缺陷降低了在地球上制造的光纤的质量。两种问题的解决方案都是进入太空。在微重力环境下,热量分布更均匀,不会发生沉淀和结晶。晶体生长过程在长距离内保持一致,降解最小,这意味着即使在很长的距离内生长,也能获得纯净的光纤信号。

然而,更广泛地说,基于空间的晶体具有几乎所有电子和生物医学领域的应用。正如瓦格纳所了解到的那样,研究人员已经发现了空间站上当今在各个领域中的直接应用,从开发更有效的疫苗(地球重力损害抗原和佐剂的相互作用)到更高等级的药物制剂和纳米颗粒悬浮液。由一家泰国制药公司生产的一种用于治疗肌肉萎缩的药物已经进入最终试验阶段。他们当时正在讨论诸如在轨道上进行生物打印以及他们正在计划的未来任务等事情。

维纳告诉我:“我立刻意识到我们可以做到这一点,实际上可以利用微重力来制造人工视网膜。”我从未想过在太空中做任何事情。在此之前,我不知道该如何去做,也不知道它如何运作。这一切听起来都像是科幻小说。

会面后,她立即打电话给她的团队。“我感到惊讶的是,我认为我们可以赢得这个,”她说。这是卡斯·波音太空技术奖,该奖项资助可能受益于空间站准入的研究。

我们要做到。她的团队立即表示怀疑。事实上,她自己也有怀疑。

她经营着一家小型公司,他们将如何建造一个小型自动化科学实验室?把它放在国际空间站上,与地面进行通信,他们如何负担得起?她打开了一个网络浏览器,输入了“树莓派与空间站通信”。她想:“我这是在做什么?这只是我当时对太空的超级幼稚的看法。”她告诉我,现在用来形容她公司的恰当术语是“太空相关”,这是一家并非专门从事航空航天行业的公司,但可以从离开地球中受益,甚至可以更好地运作。

当她发现陆地部门不必开发自己的任务控制和空间基础设施时,她松了一口气。它已经存在,并且有一些专门从事太空相关业务的合作伙伴公司。她的公司与Space Tango合作,后者专注于在太空中构建底层健康和技术产品,以开发其硬件。

他们设法将他们的开放式烧杯系统压缩成一个鞋盒大小的自动化系统。而且她在某件事上是对的——他们确实赢得了奖项。该团队在2018年底进行了他们的第一次任务,并且在当年显示出令人鼓舞的结果。

此后,该公司获得了额外的资金,并总共进行了九次国际空间站飞行,最近一次是在2020年1月30日发射。在每一次任务中,他们都逐渐改进了他们的制造硬件、系统自动化以及成像和轨道过程。“我们在微重力环境中看到了更均匀的涂层薄膜,并克服了我们在重力环境中遇到的其他挑战,”瓦格纳说。

浪费要少得多。该系统可以自主运行,无需宇航员干预。基本上,团队在一个小盒子里组装它,宇航员在国际空间站上将其插入电源。

当它制造出人工视网膜薄片后,宇航员将其拔掉并将其运回地球。“起初,我们只想证明在太空中这样做是可行的,”瓦格纳说。“我们现在不再担心这个问题了。我们现在正在认真考虑如何扩大系统规模,以支持我们的早期临床试验。”

我们不需要数百万个人工视网膜。我们开始只需要数百个,也许是数千个。这给了我们时间来确定如何在从国际空间站——一个公共空间站——过渡到近地轨道的私人商业空间站时扩大规模。

到目前为止,陆地部门已经在老鼠身上进行了小型动物研究,并在猪身上进行了大型动物研究,成功地植入了植入物并证明了它们的耐受性。该公司正在继续进行临床前开发,以支持临床试验。进行此类测试是为了测试人工视网膜的有效性和安全性,目标是在尽早2027年开始人体试验。

“当我考虑在太空中进行这项工作并谈论成本和效率时,我认为它与有人说‘嘿,我打算在中国做这件事’或‘我打算在加利福尼亚做这件事’没有什么不同,”瓦格纳说。“空间站实际上更近。它只有250英里高,而到加利福尼亚州则有3000英里。”

如果陆地部门成功,仅此一项就几乎可以证明约翰·刘易斯31年前的预言是正确的。很难想象还有什么成就比治愈数百万人的失明更深刻,但更重要的是,除了带来如此广泛和改变人生的结果之外,国际空间站最重要的成就之一可能是提高了实现这些结果的可能性。到目前为止,还没有在空间站上诞生的主要药物上市。还没有从近地轨道出现批量生产的技术。

研究是反复进行的,太空制造仍处于早期阶段,但根据美国国家航空航天局(NASA)的首席执行官埃里克·伯沃的说法,这是一个致力于开发太空架构关键路径基础设施的非营利性太空研究中心,为国际空间站奠定了基础,使得下一代更注重产品的空间站成为可能。也许戈登在他那个时代就领先于他的时代,他认为这项工作将在人类的时间范围内实现。“这是人类有史以来第一个真正意义上的大型国际空间站,”她告诉我。“我们现在看到的不仅仅是基础科学,而是像生物技术公司这样的实体,实际上正在利用我们在过去20多年里从国际空间站和国家实验室中学到的东西,并设想在太空中投产产品或基础设施。”如果近地轨道从NASA向商业运营的移交成功,这将是对月球经济未来发展的一个有希望的展望。

与近地轨道一样,NASA正在有条不紊地建设基础设施并解决探索中的根本性问题。月球轨道门户空间站是NASA领导的国际努力,正在深入发展,其居住和后勤前哨或光环模块最早将于2025年发射。该空间站将作为可持续月球战略的第二步,该战略在60年前的阿波罗计划中被剔除,NASA希望在月球表面建立存在。

如果近地轨道模式成立,该机构有一天可能会将月球基地运营转移到私营部门,并转向火星。“仅仅是在月球上采集水,更不用说稀土元素本身就适合制造了,这可能会带来很多钱。”太空进步中最艰难的限制之一,具有讽刺意味的是,是太空本身。

在好日子里,国际空间站轨道上只有11个人。杨·贡说,私营空间站时代将具有根本性的变革意义,仅仅是因为将会有更多空间供专门的研究人员使用。Aim的目标是每五年将其太空基础设施翻一番。

这意味着将轨道上的人数、有效载荷数量以及他们能够进行的制造量增加一倍。“在两到三年内,我可以通过Axiom Space送一名研究生进入太空,”劳说。“这需要一些创造性的筹款,但我认为这正在打开一个可能性领域。”

他解释说,过去,博士研究人员能够非常幸运地将研究作为单次飞行任务的一部分进行飞行。然而,如今,由于商业太空飞行带来的机会增多,即使是硕士课程的研究人员也可以反复进行实验。未来,他们将不再依赖于拥有无数责任的NASA宇航员。国际空间站上的宇航员花费了大量时间充当实验对象。

科学家们可以亲自上去进行他们自己的研究项目,并进行更深入的研究。她说,这就是一个非常非常接近的未来。“您正在收听《天空中的空间站》。”

作者:David W. Brown。本文发表在《麻省理工学院技术评论》2024年6月刊,由Sam Shore为音频版朗读。