去年夏天，一架飞机在墨西哥湾上空进行了令人胃部翻腾的爬升和3万英尺的俯冲。目的不是寻求刺激，而是更具真正大胆的尝试：每次约25秒钟，抛物线飞行使机上人员进入模拟失重状态，从而使一台高科技打印机能够将心肌干细胞喷射到一个婴儿心脏的双腔简化结构中。
尽管这令人印象深刻，但这只是通往更宏伟目标道路上的一小步。nScrypt（干细胞打印机制造商）、Bioficial Organs（生物墨水供应商）和Techshot（心脏实验的构思者）的高管们计划在2019年前，在国际空间站上打印跳动的心脏补片。该打印机将由商业火箭送入太空。
像蓝色起源和SpaceX这样的私营太空飞行公司，曾被批评为富豪们利用纳税人投资进行的虚荣项目。但这些公司的出现导致将货物和设备送入太空的成本直线下降。如今，发射一公斤物品大约需要5000美元，而航天飞机时代则需要3万美元。因此，越来越多的企业家和研究人员正寻求利用这种相对廉价的太空准入，来利用近地轨道独特的特性——包括其真空、微重力、无限太阳能和极端温度——进行制造。他们的实验已在推动医学、技术和材料科学的创新。最终，如果成功，轨道制造可能会彻底改变我们制造事物的方式。
更轻的心脏
心脏移植患者可能需要等待数月才能获得一个新的心脏。移植后，他将需要终生服用免疫抑制剂，以防止身体排斥异体器官。如果心脏是用患者自己的干细胞打印的，他可以更快地获得，并且免疫排斥的几率也更低。它还可以完美地根据他原有心脏的尺寸进行定制。
但事实证明，在地球上打印心脏时，重力是一个真正的问题。为了让可打印的生物墨水生长，干细胞和营养物质的混合物需要具有水状稠度，以确保细胞足够灵活，能够编织成健康的心脏组织。由于这种水状稠度，要在地球上培育心脏，需要一个支撑结构。
“如果你考虑到心脏，你实际上是在谈论四个被肌肉包裹的大空腔，”Techshot首席科学家尤金·博兰（Eugene Boland）说。不幸的是，科学家们尚未设计出一种用于培养干细胞的支架，这种支架可以在不损害新生器官的情况下被移除或溶解。
Techshot 认为，通过在太空中打印器官，无需支架就能培育出完整的心脏。
“如果我们在地球上尝试，它可能只会漂亮地保持一秒钟，然后就会融化得到处都是，”博兰说，“这就像你刚倒好一个果冻模具，然后立即尝试上菜一样——它会糊在你的盘子里，变成一团黏糊糊的烂摊子。”
但微重力有助于心脏在没有支架的情况下保持形状。部分原因是低重力使得3D形状的打印更加直接。在地球上，像模型心脏这样复杂的3D物体需要打印成2D层，然后在一个耗时的过程中相互叠加。nScrypt首席执行官肯尼斯·丘奇（Kenneth Church）称之为“2.5D”。在微重力下打印允许物体以真正的3D形式喷出，将速度提高多达100倍。
在7月的抛物线飞行中，nScrypt和Techshot打印的第一个心脏结构在飞机重力恢复后的第一分钟内就损失了大约一半的高度。国际空间站上的失重环境应该能让干细胞在生长并融合成为一个功能性心脏组织时保持形状。博兰估计，太空制造的器官在培养过程开始后大约45天就可以返回地球。
丘奇将该项目视为超越3D打印炒作和失望的一种方式。“人们已经厌倦了看到尤达（Yoda）模型被打印出来，”他说。“他们会说‘你答应我一个心脏。它在哪里？’而我将告诉他们，‘它在太空中。’”
非比寻常的电缆公司
美国宇航局（NASA）太空门户办公室的物理学家约阿娜·科兹穆塔（Ioana Cozmuta）审查了数百种与太空相关的技术。她的职责是寻找并审查希望在太空中开展业务的潜在合作伙伴。“我的目标是为商业太空创造成功案例，”她说，“但我正在与炒作作斗争。”
科兹穆塔工作的一部分是担心这个光鲜却充满风险的领域固有的失望危险。多次爆炸表明，即使是埃隆·马斯克这样的黑天鹅企业家，也无法免疫因火箭科学的复杂性而产生的代价高昂的错误。或者考虑理查德·布兰森（Richard Branson）2008年预测的太空旅游业务将在2010年中期开始。然后是2013年圣诞节。接着是2014年圣诞节，这个期限因一次试飞中的致命事故而夭折。太空很难，即使对于地球上最聪明、最富有的商人也是如此。在为NASA太空门户评估了数百家公司后，科兹穆塔必须警惕那些声称已确定了一个激动人心的太空商业构想，尽管其计划漏洞百出的高管们。
FOMS是一家南加州公司，它已获得资金，计划明年开始在国际空间站上制造物品——该公司之所以能做到这一点，部分原因是其项目保持了坚实的经济基础。FOMS的首席科学家德米特里·斯塔罗杜波夫（Dmitry Starodubov）决定放弃太空开采稀有金属（如铂金）的想法，铂金目前每公斤售价约为3万美元。在他看来，这仍然不足以使太空采矿盈利。“即使我们的月球完全由纯铂金构成，我们的模型也显示，在月球上开采铂金并将其带回地球在商业上是不可行的，”他说。
相反，FOMS 将目光投向了更轻且每磅价值更高的东西：特种光纤电缆。我们屏幕上常见的普通光纤电缆每公斤售价在3000至5000美元之间。但那种能够传输更多数据，或者因为所需电力更少而使数据传输更便宜的特种光纤电缆呢？最昂贵的那种每公斤可能高达数百万美元。正是这种价值与重量比，才能证明在太空中制造物品的成本和风险是合理的。
特种光纤，例如以ZBLAN首字母命名的那种，可以在地球上制造，但并不容易。制造ZBLAN的常规工艺涉及将这种特殊玻璃的一个块状物（或称“预制棒”）加热到300摄氏度以上，然后像一长串口香糖一样，从一个通常高10到20米的落塔中将其拉下。但白炽块状物的大小限制了所制电缆的长度——光纤最长约为700米。理想情况下，公司希望获得更长的线段，因为连接点会导致信号损失。此外，重力会导致ZBLAN晶体结构中出现沉淀，从而产生缺陷，导致信号减弱。
这就是为什么斯塔罗杜波夫将目光投向了在国际空间站上拉制ZBLAN和其他复合材料，以获得比地球上可能达到的质量和数量都大得多的产品。他帮助创建了一个原型，该原型使用一个行李箱大小的类似落塔的设备，像卷园艺软管一样卷绕光纤电缆。“理论上，它可以在24小时内拉制数百公里，”科兹穆塔说。而且没有重力，就没有令人烦恼的结晶现象。
尽管ZBLAN在地球上难以制造，但研究人员对其很感兴趣，因为它能传输比二氧化硅更宽的光谱，包括紫外线和深红外线。这对于创造未来科技可能很有用，例如紫外线外科激光、对眼睛安全的红外制造工具，以及更有效的对抗热寻的导弹的措施。它还可以让我们的宽带网络“更宽阔”；科兹穆塔估计，与现有的基于二氧化硅的光纤电缆相比，太空制造的ZBLAN在信号沿管道传输时，信号强度损失将减少约100倍。另外，它还可以帮助降低数据发送成本，因为相同的数据量可以在更长的距离上传输，使用更少的电力，并且需要更便宜的传输设备。
至于这些电缆卷筒如何返回地球？“你可以用SpaceX将它们带回来，”科兹穆塔说。
砷的更光明一面
一些太空制造的材料无需返回地球也能帮助我们。考虑一种名为砷化镓的化合物，它每8英寸晶圆成本约5000美元，制造过程中会产生大量有毒副产品（你好，砷！）。但它能制成出色的太阳能电池板，将约40%的入射光转换为能量，而地球上普遍安装的硅基电池板效率为15%至20%。
休斯顿大学材料科学家亚历克斯·伊格纳季耶夫（Alex Ignatiev）在20世纪90年代首次在太空真空中制造出砷化镓半导体，当时是在一艘名为“唤醒盾设施”（Wake-Shield Facility）的NASA飞行器上。这种太空制造的半导体质量比地球上制造的要好10,000倍。这是因为太空中的原子氧和高质量真空环境使得该化合物能够整齐地以单原子层的高度生长，堆叠成数百或数千层，没有任何畸变。这些畸变的缺失提高了其太阳能效率；理论上，无缺陷的砷化镓可以产生高达60%效率的太阳能。
伊格纳季耶夫设想在轨道上部署公里级的砷化镓电池板阵列，收集太阳能并通过微波束将其传回地球，类似于日本在2015年提出并开始演示的太阳能农场。伊格纳季耶夫希望在太空中组装太阳能电池，而不是在地球上制造易碎的电池板并通过多次发射将其送入太空，以此来显著降低成本。
“当你在太空中时，你可以进入地球同步轨道，这样你就能始终指向太阳，然后将能量束传送到地球上的某个地方，”他说。地球上的网状接收器将接收微波信号，这些信号将足够分散，以避免对飞机、鸟类、农作物或牲畜造成伤害。
没有人希望看到近地轨道变成一个漂浮的有毒废物倾倒场。幸运的是，太空具有独特的分解有害残留物的能力。在地球大气层的保护之外，来自太阳的紫外线辐射会分解危险分子，其组成部分会无害地扩散。“我们的星球是一个封闭系统，而太空是一个开放环境，对大多数分子都具有很强的腐蚀性，”伊格纳季耶夫说。“它们要么会分解，要么会被太空的真空环境蒸发掉。”
将有毒生产移出地球的这一想法，与亚马逊和蓝色起源创始人杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）在去年6月和9月发表的有些神秘的评论不谋而合。“你去太空是为了拯救地球，”他说。他补充说，出于环境原因，我们需要建造“巨大的太空芯片工厂”，届时制造半导体等脏活将完全从地球上移走。
尽管我们的电子设备光鲜亮丽，但制造计算机芯片确实是一项肮脏的活。根据科兹穆塔的计算，制造一个12英寸的集成电路需要2200加仑的水来清洁和冷却芯片——而2015年，我们制造了9000亿个这样的电路。尽管进行了废水处理，美国半导体公司在2003年至2013年间仍因1万起环境违规行为被点名。但是，如果你能将太空的冰冷真空用作冷却剂，谁还需要水呢？
太空制造
然而，无论前景多么诱人，外星生产都需要巨额资金和对风险的容忍。生命损失和巨额成本几乎是必然的。但这并不意味着它不能成功。在失重状态下成功进行心脏打印后，Techshot的博兰花时间庆祝了这一里程碑。“我们很惊讶。我可以告诉你，上面的人都在做后空翻，可能真的是字面意义上的。”
nScrypt 的丘奇也在考虑远远超越在国际空间站上打印心脏。假设他们能显著提高生产速度，那么真正的3D打印相对于“2.5D”逐层打印方法的优势，将使太空打印甚至能与大型地面制造商竞争。伊格纳季耶夫关于公里级太空制造砷化镓太阳能电池板的想法就是一个例子，但同样的原理也适用于卫星乃至航天器。“我想在太空中打印一切，”丘奇说，“我想在太空中打印一枚火箭。”
