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國際空間站的太空經濟

時間:2019-04-11  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

國際空間站(ISS)不僅是廣泛研究與技術發展的寶貴平臺,它也為測試新商業關系提供了一個理想機會,使我們有機會從政府資助、承包商提供商品和服務的傳統模式轉變為商業化供應、政府作為客戶的新模式。

在近地軌道(LEO)推動一個更具商業化的市場是出于以下幾個目的。第一,它可以刺激產生過去無法實現的全新市場。第二,它在航天領域創造了新的利益相關者,并可帶來巨大的經濟機遇。第三,它保證了強大的工業能力,不僅有利于未來的航天飛行,而且可使許多相關行業獲益。第四,也許是最重要的,它允許創意、過程和最佳實踐的交叉作用,這也是經濟發展的基礎。

一開始,商業公司只是投入一些研發基金在國際空間站上進行研究,后來漸漸發展為商業服務供應商向軌道實驗室的用戶出售特有服務,這意味著近地軌道新經濟初見雛形。

商業服務供應商

國際空間站作為微重力研究實驗室,其發展依賴于越來越多的新型商業服務供應商。許多公司不再遵循由政府出資、承包商提供硬件或能力的傳統模式,而是進入了近地軌道發展新階段——建立市場。在新模式下,商業公司開發能力,然后提供給政府用戶,并將國際空間站作為一個研究平臺廣泛地推銷給潛在新用戶。這樣一來,空間站可獲得重要的新能力,服務供應商也可獲得一個提供服務的新市場。

1)在太空中生產水

在國際空間站上開發和維持水的生產對于維持航天員的生命以及支持衛生和設備功能都是至關重要的,但它也帶來了一些挑戰。從歷史上看,空間站上對水的需求有一半是通過回收使用過的水來滿足的,剩下的一半是通過貨物補給滿足。這種方式并不理想,需要重新考慮一種自產水的解決方案。

多年來,空間站的生命維持設備通過電解水產生氧氣來維持機組人員的生命,由此產生的氫氣被當做是廢氣并排放到空間站外,航天員代謝產生的二氧化碳也被排放到空間站外。NASA知道自己失去了兩種重要的消耗品,但卻沒有資金為空間站建立一個更有效的系統。

NASA看中了一個最初由諾貝爾獎得主、法國化學家保羅·薩巴蒂爾(Paul Sabatier)于20世紀初開發的工藝,稱為Sabatier工藝。該工藝是在高溫高壓下,使用鎳催化劑與氫氣和二氧化碳相互作用,產生水和甲烷。Sabatier工藝是一種成熟的水生產技術,多年來用于先進的軍事和商業應用。

NASA認為,強化的Sabatier系統每年可以減少空間站數千磅的水補給,并實現氧氣和水的再生循環閉環系統。這為空間站的運營節省了一筆即時且可觀的費用,并提供了一種水生產方式用以代替從地球運輸水的老辦法,提高了自給自足的目標,為近地軌道和更遠的太空探索打下了基礎。

20084月,NASAHamilton Sundstrand Space, Land & Sea公司簽署協議。Hamilton Sundstrand Space, Land & Sea公司早先已經為國際空間站提供了一些供應服務,包括航天服和電力控制系統,新協議的簽署擴展了其服務內容。該公司將開發Sabatier處理器,在空間站上提供供水服務,并連接到現有的生命維持系統。201047日,一個550磅重、小型冰箱大小的不銹鋼立方體搭載發現號航天飛機抵達國際空間站,并在當年10月投入使用。

該系統包含6個主要部件,通過對氣體進行吸收、加壓、冷凝和轉換,產生水和甲烷。甲烷被排放到太空中,水通過水回收系統后被注入空間站的供水系統,以便在用于飲用、個人衛生和科學實驗之前做進一步處理。除了生產水和甲烷,Sabatier系統的設計還可對非常活躍的氫氣和二氧化碳氣體加以遏制。

國際空間站上Sabatier工藝應用的實現既關乎技術價值,也關乎合作伙伴的突破。Sabatier工藝硬件不僅是由一家非政府實體企業開發和資助的,它的運營也完全是基于商業目的。NASAUTC航空航天系統的合作為空間站的供應鏈做出了重大貢獻。與傳統的成本加成合同角色不同,這個創新是在NASA最小監督標準下開發的航天硬件。

一種新的商業模式由此形成。雙方同意,UTC將為Sabatier系統的開發和運營提供資金,而NASA將以裝配任務的形式發射它,并在空間站上提供安裝空間。重要的是,該協議取消了NASA超過70%的標準要求,針對其他要求的核查也盡可能靈活,只有在絕對需要時才確定具體的核查標準。

目前,該系統已經正常投入使用若干年,NASA按生產的水量向UTC支付費用。但如果當初這個系統不能實現其功能,NASA也就無需向UTC償付任何款項。雖然NASA在開發期間已經提供了一些里程碑式的付款,但如果Sabatier系統在空間站上啟動后不能正常工作,這些款項也將被全數退還。這一方式既能滿足NASA的需求,讓UTC一直保持開發動力,也滿足了UTC在開發階段對現金流的需求。

國際空間站是探索的試驗臺,但它也可以是采購選擇的試驗臺。商業供應商認為,只要政府允許,他們就可以以低廉的價格提供Sabatier系統。這一經驗為國際空間站上的其他創新硬件開發提供了先導示范。

1ISS25次遠征的指揮官Douglas H. WheelockSabatier系統的合影

圖片來源:NASA

2NanoRacks在近地軌道開發的商業市場

長時間以來,都是科學家利用國際空間站及其近地軌道環境,一個令人興奮的新商業途徑正在革新,空間站環境正在開放,就像在任何其他地方做生意一樣。

2009年,在一項非常特殊的空間法案協議下,NanoRacks開始進入國際空間站供貨單,使用在軌資源。NanoRacks為空間站提供了自籌資金的特有研究硬件,利用 “即插即用”的方法,將裝載在CubeLab/CubeSat中的小設備插入平臺或機架,為空間站提供電源和數據接口功能。(CubeSat是一種小型衛星,體積通常只有1升,大小為10厘米/4英寸的立方體,質量不超過1.33公斤/2.9磅;CubeLab是國際空間站上內部結構類似且緊湊的研究環境)。 

這種商業模式使NanoRacks公司能夠向其他機構推銷,只要執行的是美國國家實驗室的任務,就可以為國際空間站的付費用戶提供研究通道。這是不尋常的,因為在沒有政府直接資助的情況下,市場第一次體現出,空間站能做什么、應該做什么。在過去三年的運營中,NanoRacks公司已經向空間站發送了200多個有效載荷,真正意義上的啟動了一個太空新市場。 

NanoRacks公司的另一個新市場是在國際空間站上部署小型衛星,沒有人預料到它會立即獲得成功。NanoRacks公司發現了利用日本實驗模塊(JEM)氣閘艙的機會,就向NASA提出了一個問題:“如果我們自己開發更高效、更便宜的衛星部署器,我們能使用它嗎?”這個問題不在于尋求資金,而在于獲得開發和服務市場的許可。NanoRacks發現了美國西海岸從事微型化和電子化工作的潛在客戶,這些客戶希望制造小型衛星,但通過俄羅斯或美國部署成本高昂,他們卻別無選擇。隨后,這些公司,以及美國政府的實驗室和組織,對NanoRacks CubeSat Deployer NRCSD)做出了非常積極的回應,最初以為利用率不會太高,但現在已經有大量客戶在等待空間站上的小型衛星部署。

2Planet Lab通過NRCSD部署鴿子衛星

圖片來源NASA

NanoRacks還將標準化的力量、商業化的效率和組件小型化的優勢應用于在軌操作。通過關注客戶滿意度,他們使非科學家可以使用空間環境進行實驗成為可能。

私營機構的參與提供了與政府合作共同發展的新模式。通過這種模式,私營機構開發市場,獲得資金,建立硬件設施,而美國政府提供基礎設施并建立美國國家太空實驗室,其優勢包括成本透明性、執行低成本性、太空可進入性(微重力空間或近地軌道的有利位置)、進入市場的迅速性(數月而非數年)、國際合作和新創意的產生,以及五年內的廣泛可及性。

3Nanoracks部署在ISS上的艙外暴露平臺

圖片來源:Nanoracks

3)國際空間站貨運服務的商業化

20061月,NASA宣布,商業軌道運輸服務(COTS)計劃將專用于協調私營公司向國際空間站運送航天員和貨物,在20139月之前完成向國際空間站的載貨示范飛行,其目的是刺激商業機構在設計、制造和發射上進行創新。最初被選中參與COTS計劃的公司是Space Exploration Technologies公司(Space X)和Rocket Plane Kistler。然而,最終達到項目示范要求的是Space X 的龍飛船和軌道科學公司(Orbital Sciences Corporation)的天鵝座飛行器。

COTS計劃并沒有具有約束力的合同,但需要成功完成通過空間法案協議預先確定的開發和融資里程碑。在COTS計劃啟動大約兩年后,又一個叫做商業再供應服務(CRS)的獨立項目被啟動。COTS計劃開發了運輸飛行器,而CRS項目旨在為向空間站提供實際的貨物和有效載荷交付,以及貨物從空間站的返回、移除和處理。COTS計劃包含對空間法案協議的資金投入,由NASA提供階段性付款。CRS項目是一份固定價格服務合同,如果交貨任務未能成功履行,兩家供應商需要承擔責任。

COTS計劃的一個重點是,載人空間站為商業項目提供了一個可用的、可持續的市場。最初,向空間站運送貨物的需求是起決定性作用的。COTS計劃和CRS項目使人們對再供應任務有了新的認識,成本和風險承擔不再依賴于政府,私營承包商有了提出創新解決方案的機會。新的再補給服務合同代表著NASA獲取太空運輸服務的方式發生了重大變化。

NASA向私營企業敞開大門的決定是引人注目的。

4Space X的獵鷹9號火箭發射龍飛船,用于給ISS運送貨物補給

圖片來源:NASA

隨著空間站貨物補給工作的進行,很明顯,COTS計劃的投資實現了空前的效益,兩架新的自動化貨運飛船誕生。這被譽為公私合作關系中最非凡的例子之一,也是NASA的一次信心飛躍。

5:軌道公司的Antares火箭帶著天鵝座貨運飛船發射,前往國際空間站

圖片來源:NASA

NASA任務各個方面的商業化正在產生非常積極的連鎖反應。參與載人航天事業的新公司和獨特的合作伙伴關系促進了區域經濟的發展。多個國際供應商與各自的航天機構有了密切的聯系,這使更多的合作和連續性得以實現。美國大小航空航天公司現在都有能力參與這些項目。隨著Space XOrbital以更低的成本為政府提供補給服務,NASA也可以將注意力轉移到其他空間站項目和探索目標。

6:軌道公司的天鵝座飛船即將停靠國際空間站

圖片來源:NASA

4)國際空間站地球觀測的精確指向平臺

20145月,德國航空航天中心(Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt; DLR)和美國Teledyne Brown工程公司(TBE)宣布簽署了一項協議,在國際空間站上安裝并運行德國航空航天中心的地球傳感成像光譜儀(DESIS)。作為德國航空航天中心打造的四個遙感相機系統之一,DESIS將被安裝在TBE為空間站開發的多用戶地球遙感精確指向平臺(MUSES)上。DESIS將能夠檢測地表、海洋和大氣的變化——有助于更好地了解生態、農業和城市土地利用等領域的變化。

該項目旨在為地球觀測開辟新的可能性,也是國際空間站與商業企業合作開發的首批項目之一。僅在兩年前,NASA才與TBE簽署了合作協議,通過開發MUSES來促進空間站的商業利用,從而啟動了該公司基于商業目的的空間新數字成像業務。MUSES是一個平臺,用來承載地球觀測儀器,如高分辨率數碼相機和多光譜或高光譜儀器,具有指向精確、穩定等特點。

MUSES平臺面積約一米平方,帶有陀螺儀、恒星跟蹤器(小光圈、空間專用光學產品、確保飛船在太空中的精確高度)、步進馬達(用于機器人和便攜式設備的可重復定位),可保持平臺固定在慣性空間中,抵消空間站的震動,這對圖像質量是至關重要的。

7:國際空間站上的MUSES設施為地球觀測提供一個最先進的指向平臺

圖片來源:TBE

MUSES可以同時容納四臺儀器拍攝地球。空間站商業化的模式正在演變,商業公司貢獻出自己的資源,而NASA分擔開發成本,并提供發射和在軌基礎設施。TBE已經獲得了美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的商業成像/遙感許可證,這樣它就可以在MUSES上操作儀器,將拍攝的地球影像用于商業銷售。TBE將空間站比作空中幾百英里的一塊地產,隨著時間的推移,它正在被用于科學、經濟、教育、商業和生活質量的目的。

8MUSES平臺在TBE實驗室接受發射前的最后測試

圖片來源:TBE

第一個安裝在MUSES上面的儀器就是德國航空航天中心的DESIS,當它指向一個地理區域時,它能夠區分陽光的反射率與地球表面(通過近紅外光譜可見)的細微變化。成像光譜儀能夠分辨出反射光譜中非常細微的變化,以區分植物種類,或者判斷森林是否正在經歷某種由于干旱或蟲害造成的壓力。表面反射率的細微變化可以提供大量的信息,這是數碼相機拍攝的普通圖片所不能提供的。

由于人類一直以來對農業、石油或天然氣資源、生物多樣性、礦物學、世界遺產遺址、海岸帶、水生態系統和交通運輸變化監測的關注,地球遙感技術已經取得了長足的發展。德國航空航天中心和 TBE這樣的商業企業引入了一種非常具體的測量工具,它將隨著應用而改進,適用于已經存在的許多市場。數據的使用和數據本身一樣重要。例如,如果一個農民想知道何時、何地以及如何給他的玉米澆水,他真的不需要知道波譜庫的所有技術。

TBE的出發點是發揮商業化優勢,因此提出在空間站上建立一個平臺,并利用現有的基礎設施開展商業業務。NASATBE認為,從國際空間站獲取價值的最快方式就是帶回數據。

TBE知道它的用戶將從數據的使用中獲益,而公司就是數據輸出端,可為其他行業如漁業和農業提供無法得到的數據。未來,TBE還將對其他儀器的商業應用展開測試。

NASATBE這樣的公司來說,將眼光放到空間站之外至關重要。要想維持目前在近地軌道上的新興商業市場,參與者必須認識并接受空間站不復存在的一天,并為此早做打算。我們不僅要利用流動資產來發展商業市場,還要順利地將整個商業經濟從空間站轉移到我們能夠預見的、將要建設的、不受近地軌道限制的其他基礎設施上去。

雖然這似乎很困難,但這實際上是我們國家建立的基礎:堅持不懈、樂于奉獻、開創新的可能性,讓這個世界更美好。

5)地球觀測公司UrtheCast取得開門紅

2014年,NanoRacks還與加拿大一家上市公司UrtheCast簽署了一項協議,將地球觀測(EO)傳感器安裝在空間站美國實驗艙側。當時,俄羅斯實驗艙側已經安裝了2臺儀器。目前,UrtheCast的整個商業模式已經與國際空間站緊密相連。更重要的是,通過這種合作關系,UrtheCast在空間站上進行的項目是迄今為止最大的私人投資項目之一。

四年前,加拿大最大的航空航天公司MacDonald, Dettwiler and Associates (MDA)探索出了在俄羅斯實驗艙安裝地球觀測傳感器的想法,并開創了一家新公司。但最終,MDA發現這個項目與它的公司使命并不相符,所以沒有再進一步的研發。然而,幾位高管抓住了這個機會,將新公司從母公司剝離出去,直接追求潛在客戶,并給新公司命名為UrtheCast。他們進行了一項實驗,在國際空間站上制造并運行兩臺相機,并向全世界推銷這些圖像。

這兩臺相機均于201311月發射,20141月通過俄羅斯航天員的兩次太空行走安裝成功。在安裝了兩個傳感器后,UrtheCast繼續通過私人融資6800萬美元,并最終在多倫多證券交易所(Toronto Stock Exchange)進行了首次公開募股(IPO)

在安裝這兩臺相機的同時,UrtheCast開始積極尋找美國合作伙伴,最終與NanoRacks公司合作,尋求進入空間站的機會。隨后,UrtheCast20146月宣布將開發下一代傳感器組件。

9:安裝在國際空間站俄羅斯段的Urthecast相機

圖片來源:俄羅斯聯邦航天局

UrtheCastNanoRacks的合作是計劃在國際空間站的美國實驗艙一側安裝一個名為Lightweight UrtheCast NanoRacks Alcove (LUNA)的小型模塊,擬包括三個組成部分:

a.高分辨率雙模多光譜相機,能夠在靜止圖像和高分辨率視頻模式之間切換。開發人員希望經過處理后,傳感器的分辨率可以達到40厘米,這將使其成為軌道上分辨率最高的地球觀測儀器之一。

b.合成光圈雷達(SAR)傳感器,它將向地球發送能量脈沖,提供在夜間拍攝和穿過云層拍攝的能力。如果數據集不直觀,就很難處理,但融合數據集最終將創建一個無云的圖像。

c. 這兩個傳感器將與一個專用的x波段下行鏈路配對,并通過互聯網云技術進行分發,實現類似于谷歌EarthNetflix的功能。

國際空間站是一個非常寶貴的成像平臺。它位于近地軌道,且軌道覆蓋了地球上大約95%的居住區,而且它有定期重訪地點的能力,這意味著只要拍攝儀器的分辨率足夠高,就可以提供很好的圖像。

UrtheCastNanoRacksNASA之間的合作,讓儀器受益于現有基礎設施和投資,以更低的成本進入軌道。這些公司相信,沒有強大的客戶基礎,太空探索的夢想在政治上和經濟上都是難以實現的。他們認為,空間站上最先進的EO傳感器數據可為此提供一個有效的解決方案,有助于刺激客戶需求。

10UrtheCast公司的Theia相機于201473日拍攝的橫跨意大利羅馬及其周邊地區的照片

圖片來源:UrtheCast

6CubeSats衛星正在拍攝我們不斷變化的星球

2014723日,上午1050分左右,加州公路巡警接到報警稱,棕櫚泉以西的里弗賽德縣發生火災,大火迅速蔓延,迫使一些居民撤離。在15分鐘內,一顆名叫“鴿子”的衛星捕捉到一幅圖像,描繪了火災大小、燃燒路徑、現場風向以及火災的確切位置。大火在一天之內被完全控制住了。這顆衛星僅有烤面包機大小,其拍攝這張照片并非出自任何人的要求,只是在完成其常規任務,即每秒鐘對10X15公里的地球帶(約6X9英里)進行拍攝,這項工作是由國際空間站完成的。

更大的政府和商業衛星可為國家和企業提供更詳細的地球圖像,人們可以通過其中一些圖像尋找并瀏覽自己的社區。但這些衛星價格昂貴,數量有限,要么空間分辨率低,要么僅能根據客戶要求拍照,且只關注特定區域。至關重要的是,這些衛星可能在幾個月時間內都不會對同一地區進行重復成像,這使得對一些具有快速變化特點的研究變得困難,諸如國際沖突、環境退化或森林火災等。

一家名為行星實驗室(Planet Labs)的小型衛星初創公司正在利用空間站作為一組小型軌道相機的發射臺。這些重達11磅(5公斤)的“鴿子”衛星每隔90分鐘就會連續地拍下整個地球的照片并傳送到地面站,為我們提供前所未有的地球景觀,既可從中看到城市的發展,也可以看到像加州那樣的夏季野火。

11Planet Labs的鴿子衛星在國際空間站上部署的瞬間

圖片來源:NASA

不同類型的CubeSats衛星頻繁地從空間站發射,提供了一種地球成像的新方式,可完成記錄船舶交通,發送信息等多項任務。這組衛星使Planet Labs收集到整個行星范圍的數據,而這對于獨立衛星來說是不可能的。Planet Labs2009年在硅谷成立,目標是每天全方位的捕捉地球圖片。這需要大量的CubeSats衛星,而空間站是將它們送入太空的關鍵。

12:鴿子衛星拍攝到的亞利桑那州的灌溉農田的場景

圖片來源:Planet Labs

在距離地球230英里(370公里)的高處,每只“鴿子”每秒捕捉一次圖像,每張圖像的分辨率都在1016英尺(35米)之間。這意味著相機觀察區域內的每個像素都對應著一個3米寬的物體。這種分辨率足以區分熱帶雨林中的樹木,但不足以識別走在街上的行人。自20141月以來,Planet Labs采用了NanoRacks, LLC.公司開發的CubeSat配置,隨后發射了71個“鴿子”衛星。選擇CubeSat衛星的一部分原因是因為其體型小,價格相對便宜,雖然運行壽命只有幾個月,但是他們的軌道高度足夠低,最終可以落回到地球,且通過設計,可在大氣中燃燒。Planet Labs也在舊金山總部不斷測試和升級,“鴿子”不斷被更新換代。迄今為止,Planet Labs已經打造了100多只“鴿子”。Planet Labs是通過私人風險資本和私人投資者進行投資。最終,Planet Labs的目標是讓所有人都能通過搜索“鴿子”圖片輕松的看到自己想看的內容,——從渴望看到自己房子的民眾,到研究海岸線變化的政府,再到在一小片森林中救火的消防員。  

7)基于空間站平臺的新商業模式

ü 肯塔基州科技公司的子公司,及商業模式

肯塔基州科技公司(KSTC)及其兩家子公司——肯塔基太空公司(非盈利公司)和太空探戈公司(盈利性企業)——主要研究高價值的小型衛星和應用,以及空間站的新空間平臺和實驗,具有顛覆性創新能力。

1)肯塔基太空公司

肯塔基太空公司最初是一個讓大學生參與太空項目的載體。它是一個由大學和公私合營組織組成的聯合體,目的是在可實現的預算和目標范圍內,設計和引領創新空間任務。這些項目涵蓋了包括近太空氣球在內的一系列飛行機會;亞軌道、軌道和國際空間站任務;以及與世界各地的組織和空間機構建立伙伴關系。

2)太空探戈公司

太空探戈公司總部位于萊克星頓市,旨在利用太空環境來發現、設計地球應用的解決方案,并使其商業化。這些都是通過空間站平臺來實現的——向那些希望利用微重力獨特環境的研究界人士提供硬件和軟件。太空探戈公司主要關注空間創業市場,其能力和經驗包括CubeSat類衛星和其他微衛星及其子系統、衛星地面操作、空間平臺設計和測試,以及空間站新技術和實驗的開發。該公司致力于高度協作的商業戰略,與許多其他公司、大學和組織開展了密切合作。

2015年,太空探戈公司在國際空間站上安裝了一個通用研究平臺/多實驗設施TangoLabTangoLab承載與醫學領域、材料科學和環境傳感相關的各種有效載荷。研究人員通過互聯網傳輸數據,與他們的實驗在獨特的空間環境中進行互動。 TangoLab是一件精美的藝術品,它的開發并不簡單,需要借助3D打印技術,使用標準化的硬件大大降低了空間站的使用成本。

針對于對空間站可重復/可負擔的研究需求,太空探戈公司基于經過驗證的CubeSat衛星形狀開發設計了CubeLab,可為實驗模塊提供標準平臺和開放架構,從而縮短了新上項目的開發周期,降低了研發成本。

 3Exomedicine研究所

20115月,肯塔基太空公司成立了Exomedicine研究所,研究和探索微重力環境下的醫療解決方案。在沒有重力的情況下,細胞、分子、蛋白質晶體和微生物以完全不同的方式活動。因此,微重力環境為探索這些顛覆性的新發現提供了機會,這些發現涉及人體組織再生、藥物開發、癌癥和其他危及生命的慢性病等疾病的治療,以及能源和新材料等領域。Exomedicine研究所聘請頂級科學家、工程師和企業家組成的跨學科團隊,推動這一全新的、有潛力的研究領域穩步前進。

13:準備進入太空進行生物研究的扁形蟲樣品

圖片來源:太空探戈公司

肯塔基太空公司、太空探戈公司和Exomedicine研究所的工作反映了一種跨學科的研發方式,代表著一個“新空間”時代的興起,這個時代的參與者眾多。降低入場障礙使人們能夠在近地軌道進行研究和生產。基于提供全面服務的理念,這三家公司認識到,一般人幾乎很難通過NASA實現發射,所以公司為客戶提供工程和技術,協助提供實驗設計、有效載荷設計和組裝、設施和全套成功發射的測試設備和能力。

ü 專業化的樣品運輸-太空商業機遇

對國際空間站上進行的高度敏感生物醫學實驗,實驗的成功通常取決于從濺落地點到實驗室的快速運輸。科學家只能在實驗室分析關鍵數據,因此濺落和分析之間的時間是至關重要的。

2014年,作為非營利的獨立太空承包商肯塔基太空公司(Kentucky Space)與其營利性機構太空探戈公司、太空科學促進中心(CASIS)、NASA和塔夫茨再生與發展生物學中心(Tufts Center for reproductive and Development Biology)合作項目的一部分,一些扁蟲被運送到了國際空間站。這項實驗可進一步了解扁蟲的再生能力,有朝一日可能會影響全球醫療保健,包括癌癥治療、脊髓損傷治療以及胚胎發育糾正。一個月后,一個載著48只浮游扁形蟲(因其自身器官再生能力而聞名)的太空艙在加利福尼亞海岸外的太平洋濺落。

14:扁形蟲樣品在發射到ISS之前的地面準備工作

圖片來源:太空探戈公司

研究成功的兩個關鍵因素是時間和溫度。扁形蟲需要從加州長灘迅速運到波士頓塔夫茨大學進行分析,運輸過程中需要保持12攝氏度的溫度。任何一種環境因素處理不當都可能殺死扁形蟲,導致實驗失敗。

在實驗樣品濺落前,聯邦快遞已經做好了迎接挑戰的準備。太空探戈公司代表肯塔基太空公司與聯邦快遞空間工作團隊、航天工業物流專家合作,共同為扁形蟲實驗設計最優的行程。

當太空艙下水時,倒計時開始了。

太空艙迅速被打撈上來,扁形蟲很快通過聯邦快遞運往波士頓,包裹內裝有定制設計的溫控包裝。聯邦快遞讓SenseAware公司在整個運輸過程中對這批貨物進行監控,讓肯塔基太空公司、太空探戈公司和塔夫斯大學不僅能夠追蹤它的位置,還能確保包裹內的溫度保持在12攝氏度不上下波動。

這批貨物按時安全抵達波士頓,塔夫茨大學的科學家們幾乎可以立即接觸到扁形蟲,繼續研究微重力環境對扁蟲再生能力的影響。聯邦快遞的創新物流使空間站和強大的地面團隊得以連接成為可能。

15:聯邦快遞的環境控制集裝箱,在SenseAware公司的環境監控下,將從國際空間站返回的太空探戈扁蟲實驗運送到實驗室

圖片來源:聯邦快遞公司

ü 跳出思維定勢,挑戰新空間時代

進入太空迫使人們跳出思維定勢;空間一直處于創新的前沿,真正推動著所有企業挑戰現狀。

2000年,Kimel還創建了IdeaFestival,這是一個國際活動,關注不同學科的創新、發現和創造性思維。IdeaFestival是一個一年一度舉行的聚會,為期四天,匯聚了來自世界各地的思想家和獨一無二的創新者,他們對影響和塑造未來的事物有著強烈的好奇心,IdeaFestival就是將他們聯系在一起。參加活動的人帶來有趣的新想法、更好的連通觀念,活動中可擴大關系網,激發靈感,幫助創造世界變革。這些類型的機會有助于讓其他人了解新想法,加速傳播新空間活動。

8JAXA空間經濟發展

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)一直努力通過日本實驗艙(JEMKibo,在日語中意思是“希望”)和H-II貨運飛船(HTVKounotori,在日語中意思是“白鸛”)推動空間經濟發展。空間經濟發展包括推動日本公司的技術進步,擴展子公司,并為商業部門打開利用日本實驗艙的大門。

16:干酪乳桿菌代田株

圖片來源:Yakult Honsha Co., Ltd.

ü 國際空間站的導航和通信服務

一直以來,許多日本公司都在國際空間站項目中試圖改變載人太空飛行的傳統方法,從而獲得先進的人類太空技術。

一些日本公司獲得了具有全球競爭力的技術和專業知識,并將人類空間技術系統推向了全球商業市場,例如商用航天器的近距離鏈路系統。三菱電機(MELCO)設計并生產了近距離鏈路系統(PLS),該系統可與安裝在日本實驗艙中的近距離通信系統(PROX)進行通信,為太空飛行器提供導航信息和通信鏈路,以安全地接近和離開空間站。MELCO最初設計和生產這一產品只是為了讓H-II貨運飛船接近并停靠在空間站,現在這一全新的技術已經應用于軌道公司的天鵝座宇宙飛船,確保其能夠安全抵達空間站。

ü 商業應用計劃

JAXA致力于基于人類空間技術和日本實驗艙使用經驗,開拓日本實驗艙的商業應用,三個核心精神是:促進空間站在潛在新商業市場的應用;為商業客戶創造使用空間站的新商業機會;增強日本實驗艙的自身功能。

ü 潛在商業市場推廣

JAXA從具有地面應用前景的研究領域中挑選出了幾個潛在受益項目,如通過蛋白質晶體生長實驗的藥物開發、地球觀測和新材料制造。

17:用于藥物開發的蛋白質晶體生長

圖片來源:JAXA

在地球觀測方面,日本太空論壇開展Kibo Hi-Vision地球影像教育計劃服務,通過互聯網提供高質量的地球影像。

太空新材料制造吸引了商業公司,例如將膠體晶體作為新型光學材料。由Hamamatsu Photonics K.K., Fuji Chemical Co., Ltd.和高校合作完成的實驗證明,在太空中制造的高質量大型膠體晶體有望應用于光學材料。

在微重力環境下研究納米材料高性能產品(Nanoskeleton)的目的是明確重力對油浮選、沉淀的影響,以及對流對晶體生產的影響。將Nanoskeleton數據加入到其合成的化學模擬計算中,可用于預測地面材料合成的適合參數。資生堂股份有限公司和一些高校參與了這個項目。

JAXA的戰略推廣增加了商業客戶的數量,包括非傳統用戶。例如一些制藥公司從日本實驗艙的蛋白質晶體生長實驗中獲益。此外,一家飲料公司Yakult Honsha Co. Ltd.JAXA合作開展了益生菌對免疫功能影響的空間實驗。眾所周知,在太空長時間停留會改變人類的免疫功能,給航天員身體帶來危害。一種被稱為干酪乳桿菌代田株的益生菌已經被證明可以通過改善腸道微生物群和維持地面免疫功能來提供健康益處。在日本實驗艙進行的一項調查研究了在空間站上食用益生菌對人體免疫系統的健康益處,這將有助于功能性太空食品的開發和在地球上長期保存乳酸菌的技術發展。

ü 商業客戶的新機遇

2013年,JAXA基于以往的項目積累,啟動了一項新的商業使用方案,以提供對用戶更加友好的使用服務和系統,以方便訪問,縮短空間活動的實施時間。JAXA一如既往的鼓勵非傳統用戶進入太空領域。

目前,日本實驗艙小型衛星軌道部署器(J-SSOD)是JAXA向商業用戶提供的主要服務之一,可部署用于地球觀測、遙感和能力建設的小型衛星。J-SSOD結合了日本實驗艙、氣閘艙和機械臂,是利用現有設施發展新業務的一個絕佳示例。這種概念上的突破已經被廣泛推廣。當使用氣閘艙的小型衛星部署的價值一經驗證,美國一家與NASA合作的公司就立刻開發了他們自己的部署器。

20152月,一顆名為AESP-14的巴西微型衛星從筑波太空中心成功部署。AESP-14是航空技術研究所(ITA)在巴西航天局(AEB)和巴西國家空間研究所(INPE)的支持下開發的,由日本載人空間系統公司(JAMSS)從日本實驗艙部署。這是J-SSOD的第一次商業應用機會。

目前,各種新的空間實驗技術正在開發階段,例如為了中子衍射和擴大溫度范圍的大型晶體結晶技術。蛋白質晶體生長項目通過有針對性的直接推廣,吸引了研發型制藥企業。Interprotein CorporationChugai Pharmaceutical Co. Ltd.ARKRAY, Inc.參與了JAXA蛋白晶體生長實驗。Interprotein Corporation 旨在實現蛋白質的高質量共晶結構和低分子化合物的有效設計。Chugai Pharmaceutical Co. Ltd.的目標是通過在微重力環境下生長的高質量晶體來精確地分析蛋白質的三維結構,以幫助了解候選藥物結構與功能的關系,并創造出革命性的新藥。ARKRAY, Inc.和東京農業科技大學參與了JAXA的實驗,分析了生物傳感技術發展中必不可少的蛋白質結構,并將其應用于一種創新的生物傳感系統,這將有助于糖尿病的治療和診斷。

ü 優化日本實驗艙的能力

JAXA一直在升級日本實驗艙的現有設施,并安裝新設施,包括用于嚙齒動物研究的嚙齒動物設施(小鼠棲息地單元)、熒光顯微鏡和用于新材料生成研究的靜電懸浮爐(ELF)以及高溫熱性能數據采集器。

18:用于新材料生長和熱物理性質數據獲取的靜電懸浮實驗柜

圖片來源:JAXA.

空間站是未來探索、衛星技術驗證和運載工具技術開發的試驗臺。JAXA為這些技術示范提供了簡單的外部實驗機會。例如,暴露實驗掛點附著機械裝置(ExHAM)可以使材料暴露在空間站外的太空環境中,也可用于宇宙塵埃的提取。Junkosha Inc.將利用ExHAM設施將PEEK電線材料暴露在太空環境中,這種材料具有耐高溫和高輻射電阻性能。獲取的數據將被用于評估該公司的電線產品是否能用于未來的太空飛行器。

對于提高空間站的利用率還有更多的可能性。JAXA已經在日本實驗艙上發掘并成功完成了許多商業項目,并將繼續尋找創新的方法來促進其商業利用。這不僅有利于日本,也有利于全人類。

19:實驗掛點附著機構(ExHAM)附著在JEM暴露裝置上,圖片來源:JAXA


商業研究

獨特的微重力環境為各種商業可行性研究提供了機會。例如,使用生物模型(如嚙齒動物或扁蟲)來幫助理解地球人類的骨質疏松或肌肉萎縮;對膠體材料進行研究,開發出質地更均勻、保質期更長的產品;在空間站上生產出越來越大的蛋白質晶體幫助開發單克隆抗體;利用空間站作為地球觀測衛星發射臺等。這些研究都體現出了不同的商業興趣,以及這些商業興趣與國際空間站的結合。以下這些正在進行的商業研究項目可展現利用空間站進行研究和開發所帶來的影響和利益。

1)太空膠體:消費品和科學的交匯點

寶潔公司的故事代表了兩種類型的人:消費者和材料科學家。

通常情況下,消費者希望使用能夠改善他們生活的產品。這些產品必須履行它們所宣傳的承諾,既要保質期長、易于使用,還是要像宣傳的那樣發揮作用。對于洗發水或液體香皂等產品,購買者不希望看到瓶子內物質的明顯物理分離(沉淀物或沉淀物),因為這會讓人覺得產品有問題。

20:與正在進行的高級膠體實驗類似,微重力環境下,上述產品樣品凝膠的微觀視圖以許多顆粒組成的脆性鏈為主,其結構模型揭示了被重力掩蓋的特性。圖片來源:NASA

材料或物理科學家則希望生產出具有新前景和新功能的產品或配方。他們想知道添加到產品配方中的某些活性成分或穩定劑的行為。他們不斷地尋找能提高產品保質期或性能的最佳配比。有時候這些工作需要在非常特殊的環境下進行,這就是為什么寶潔公司(P&G)的材料科學家們決定把他們的研究提升到一個更高的水平——在國際空間站的軌道實驗室里進行研究。寶潔公司與NASA合作,資助了一項關于氣相和液相如何在微重力下分離并結合在一起的膠體研究。

在地球上,重力使研究變得復雜,因為重力會導致重的物體下沉,輕的物體漂浮。這種運動發生得很快,很難理解發生了什么和為什么。然而,太空環境下沒有了這些引力,揭示了膠體的自然運動。在軌樣品的老化過程更加緩慢和均勻,更容易研究。

201310月至20143月,寶潔與凱斯西儲大學合作,利用先進膠體實驗(ACE)科學平臺,在空間站上進行了一系列膠體研究。

這項研究旨在幫助研究人員了解如何優化穩定劑以延長產品的保質期,但此外,其研究結果還降低了開發、生產和運輸成本。更好的穩定劑會帶來質量更好,成本更低,更環保,更集中的產品,使用更少的塑料包裝,并且在整個生命周期中保持不變。在這種改進工藝下,可以實現從瓶子里出來的第一盎司產品和最后一盎司是一樣的。

寶潔公司之所以對空間站的研究感興趣,是因為其三分之二的大品牌都是軟性物質,比如織物柔軟劑、除臭劑和清潔劑,這些都能從這項研究中獲益。增強對流體分離本質的理解有助于研究人員創造出更好的穩定劑和產品配方。

ACE-M-1實驗研究了液體、凝膠和乳霜中微觀顆粒的行為。目前,空間站上正在進行ACE-M-2實驗,繼續研究相位分離和影響相位分離的原理。該實驗研究富膠液體模型和貧膠氣體模型在臨界點附近的行為,或兩相之間是否存在明顯臨界點。ACE-M-2實驗記錄了在短時間的微尺度事件,而之前幾周的實驗只觀察了大規模行為。相同物質的液態和氣態密度通常是不同的,因此在重力的影響下會有不同的行為,這使得國際空間站的微重力環境成為這些實驗的理想環境。

ACE-M-3實驗對象是流體介質中懸浮的小顆粒,研究其復雜三維結構的設計和組裝。這些所謂的自組裝膠體結構對高級光學材料的設計至關重要。在微重力環境下研究它們將有助于深入了解粒子形狀、晶體對稱性和結構之間的關系:這是凝聚態科學的基礎。

寶潔參與這項研究的一個原因是出于對膠體相分離動力學的興趣,這一作用在地球上往往是被重力掩蓋的。在微重力環境下形成和生長的小滴可以記錄整個過程的動力學,而在地球上我們只能看到這一變化的最初和最終相態。利用這些數據可以生產出成本更低、保質期更長、更高效、更完善的產品配方。對于Downy這樣的年銷售額約為40億美元的產品來說,哪怕是在生產成本上節省1%的成本,或者稍微延長保質期,都能帶來可觀的投資回報。寶潔公司今年將花費1000萬美元用于研究產品的保質期問題。

這項實驗的研究結果不僅僅對織物柔順劑有利。

ACE研究在其他領域的應用潛力還在繼續增長。例如,先進的膠體配方也可能帶來液體藥物等項目的改進,如果在食用時沒有充分地混合,這些藥物可能無效甚至造成危險。

進一步了解通過ACE實驗樣品所獲得粒子的物理過程,可能會給商業產品的質量、生產和壽命帶來極大的影響。利用微重力環境來研究構成這些液體產品的膠體這種異常小的顆粒,研究人員可以更深入地了解它們的特性。最終這可能幫助研究人員改進人們每天使用的產品。

21:歐洲航天局航天員Paolo Nespoli在國際空間站上操作光學模塊顯微鏡。圖片來源:NASA

2)在太空研究老鼠:了解人類肌肉與骨質流失

骨頭斷裂、形成和最終的損失都會對我們的身體產生重大影響。通過商業生物醫學測試模塊(CBTM)的一系列實驗發現,在太空環境下,骨質疏松速度加劇。

CBTM研究是加州生物制藥公司安進公司(Amgen)支持的研究項目:在微重力環境下,對正在開發的三種藥物測試,其中兩種是針對骨質疏松,另外一種針對肌肉萎縮。安進公司對該項目提供了大量資金和重要的實物資源。

骨的自然分解和重建統稱為骨重塑,在健康的骨骼中是平衡的,即骨重建(形成)的速度等于骨分解(再吸收)的速度。這個分解-重建的循環幫助我們維持骨骼強度和修復損傷,如骨折。但當這種自然平衡被打破,骨骼和健康就會受到影響。

研究最初是從2001年開始的,當時研究人員研究通過骨保護蛋白(OPG)來維持骨重塑平衡,而在2011年,研究人員開發了一種硬化蛋白抗體治療。骨保護蛋白和硬化蛋白抗體都是基于人體內部自然產生的分子,緩解骨質流失。2007年,研究出的肌生成抑制蛋白是一種治療肌肉損失的臨床療法。安進公司對這三種治療方法都進行了臨床研究,結果顯示對保持骨骼強度均有積極影響。

22NASA嚙齒動物研究設施內部結構,獨立的棲息地可提供居住空間、食品、水、通風和照明。此外還帶有換氣系統,形成輕微負壓環境,實現對動物排泄物的收集過濾。圖片來源:NASA

把治療方法從實驗室搬到藥柜需要時間,這些研究的進展也需要時間。研究在軌道上進行了10年,當時空間站正在建設中。期間,研究人員進行微重力研究的方式也有所進步,包括對可用分析工具的改進。

利用空間站,這項研究可以不受航天飛機任務時長的限制,從而增加數據收集量和發現的潛力。

3)微重力下的蛋白質晶體

從關節炎到癌癥,制藥公司已經開發出無數種對抗疾病的方法,但人體免疫系統激發出了他們的最新武器。新一代藥物針對特定的攻擊者,激發免疫細胞行動,這些藥物被稱為單克隆抗體(MAB),是一種基因工程蛋白,能將自身與引起疾病的物質結合。單克隆抗體幾乎可以用于細胞內或細胞表面的任何靶點,比傳統療法具有更大的特異性和更少的副作用。其中包括最暢銷的治療多種炎癥和癌癥的藥物。

然而,要想有療效,單克隆抗體的量必須很大,這使得給病人用藥變得困難。接受單抗治療的患者必須接受注射或靜脈注射,而不是簡單地吞下藥片。現在國際空間站的研究正在努力改變這一狀況。通過將單克隆抗體送入太空并在微重力環境下結晶,默克研究實驗室正致力于研制高濃度、高質量的混合藥劑,以便提高藥效。

空間是研究復雜的三維蛋白質的絕佳環境,因為在微重力環境下,重力和對流力不會阻礙晶體的形成,從而產生更大更完美的晶體。對于大晶體,地面上的科學家可以使用x射線晶體學來確定蛋白質是如何組織的。確定蛋白質結構有助于研究人員設計新藥。

在空間站上進行的第一次實驗產生的晶體比在地面上生長的要大。隨后,默克公司繼續在10次航天飛行中進行了太空蛋白質結晶實驗。

基于先前的這些發現,默克公司的化學研究員Paul Reichert希望能夠培育出5微米的、均勻的、沒有地球上的雜質的晶體懸浮液。他還計劃研究溫度梯度對晶體開始形成或成核的影響。20144月,Reichert利用SpaceX-3貨運飛船往太空運送了兩次不同的單克隆抗體試驗,并計劃在20154月利用SpaceX-6飛船運送更多的試驗。

這些高濃度的蛋白質晶體可以改善患者接受單克隆抗體治療的方式。由于單克隆抗體需要大量輸送到病人體內,因此通常都是在醫院以靜脈注射的方式,病人也需要幾個小時的時間才能獲取足夠的藥量。微重力環境下產生的蛋白質晶體高濃度懸浮液看起來和牛奶很相似,因為高濃度的單克隆抗體結晶使它看起來是白色的。這種藥物可以以打針的方式注入病人體內。

高度濃縮的單克隆抗體混合物還可以更有效的運輸和儲存。目前,單克隆抗體藥物的不同成分在不同的地點制造,然后運往海外或美國各個地方制成藥物給患者服用。Reichert希望能吸引到更多想在太空進行先進研究的科學家,開發新的生物基礎藥物,為對抗人類疾病提供更強大的武器。

23:地面生長蛋白質與微重力環境下生長蛋白質的區別。圖片來源:Merck

4)肌肉萎縮:國際空間站上利用老鼠研究提升人類生命質量

肌肉在不使用時會發生萎縮。但在微重力環境下,即使是經常鍛煉的人,肌肉也會萎縮,通常航天員在進入軌道后幾天內就開始出現肌肉萎縮現象。我們在地球上會因為疾病或受傷而出現肌肉萎縮,雖然萎縮速度比在太空中緩慢,但最終會影響到每個人,隨著年齡的增長,所有人都會失去肌肉。

肌肉萎縮的原因目前尚不清楚,可以有很多途徑,從不同的細胞信號處理到蛋白質的去除和氨基酸的喪失都可能造成肌肉的萎縮。如果科學家們能夠理解這些作用是如何影響肌肉的,他們就可能開發出治療疾病的新方法。不過,首先他們需要對萎縮本身有一個更好的了解,而對嚙齒類動物的研究正在對此提供幫助。諾華生物醫學研究所(NIBR)的科學家們希望通過觀察老鼠基因活動的變化,更多地了解微重力對肌肉質量的影響。

諾華公司的團隊是應國家實驗室太空科學促進中心(CASIS)的邀請參與進來的。諾華公司的Samuel Cadena和他的同事們研究萎縮已經有好幾年了,他們認為利用空間站來推進研究是一個獨一無二的機會。

Cadena和他的研究伙伴正在研究讓老鼠通過基因工程來抵抗肌肉流失。這些動物被稱為“基因剔除小鼠”,它們缺乏特定的基因,這些基因可以使它們產生一種名為“肌環指-1(Muscle Ring Finger-1,簡稱MuRF-1)的蛋白質。肌肉萎縮的出現會增加這種蛋白質的表達。

2014923日,10MuRF-1基因剔除小鼠搭載SpaceX-4號飛船被送往國際空間站,另一組小鼠沒有改變基因,作為實驗對照組被留在了NASA肯尼迪航天中心。這些動物在太空呆了三個星期,然后被安樂死并送回地球進行研究。研究人員仍在分析早期數據,但預計基因剔除小鼠比對照組小鼠的肌肉萎縮程度要小,這有助于驗證MuRF-1模型。

這項研究的總體目標是了解更多關于肌肉消耗的知識,這樣科學家和制藥公司就可以幫助那些受此危害的病人。在軌道實驗室進行研究的合作關系繼續推動著太空科學的發展,有助于推進探索并造福于地球上的人類。

24NASA的嚙齒動物棲息地的模塊,兩個訪問門打開狀態。圖片來源:NASA

 

參考文獻https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/benefits/index.html. ISS Benefits For Humanity-2nd Edition(2015)

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