未来の工場は宇宙に浮かぶかもしれない

昨年の夏、飛行機が胃が痛くなるほど急上昇し、メキシコ湾上空 30,000 フィートに急降下しました。目的はスリルを求めることではなく、もっと真に大胆なことでした。放物線飛行により、一度に約 25 秒間、乗員は擬似無重力状態になり、ハイテク プリンターで心臓幹細胞を吐き出して、乳児の心臓の 2 つの部屋に分かれた簡略化された構造を作り上げるのです。

これは素晴らしいことかもしれないが、さらに大胆な目標への道の途中にある単なる一歩にすぎない。幹細胞プリンターのメーカーであるnScrypt、インクのプロバイダーであるBioficial Organs、そして心臓実験を考案したTechshotの幹部は、2019年までに国際宇宙ステーションで鼓動する心臓のパッチを印刷することを計画している。プリンターは商用ロケットで打ち上げられる予定だ。

ブルーオリジンやスペースXなどの民間宇宙飛行会社は、税金の投資にあぐらをかく金持ちたちの虚栄プロジェクトだと批判されてきた。しかし、こうした企業の出現によって、宇宙に物資や機器を送るための費用は急落した。現在、1キログラムの物資を打ち上げるのにかかる費用はおよそ5,000ドルだが、スペースシャトル時代は30,000ドルだった。そのため、ますます多くの起業家や研究者が、この比較的安価なアクセスを利用して、真空、微小重力、無制限の太陽光発電、極度の温度など、地球低軌道のユニークな特性を製造業に利用しようと考えている。彼らの実験はすでに、医学、技術、材料科学の分野で革新を促している。軌道上での製造が成功すれば、最終的には、私たちの物作りの方法に革命をもたらす可能性がある。

心が軽くなる

心臓移植患者は、新しい心臓が手に入るまで何カ月も待つことになる。心臓が手に入ったら、体が異物として拒絶反応を起こさないように、生涯にわたって免疫抑制剤を服用する必要がある。患者自身の幹細胞から作られた心臓なら、免疫拒絶反応の可能性も低く、より早く患者のもとに届けられる。また、元の心臓の大きさにぴったり合うように完璧に調整することもできる。

しかし、地球上で心臓を印刷するとなると、重力が大きな問題となることが判明しました。印刷可能なバイオインクが成長するには、幹細胞と栄養素の培養液が水っぽい粘稠度を持つ必要があります。そうすることで、細胞が十分に動き、健康な心臓組織に融合できるからです。この水っぽい粘稠度のため、地球上で心臓を育てるには、支持構造が必要です。

「心臓について考えると、実際には筋肉で包まれた 4 つの大きな空洞について話していることになります」と、テックショットの主任科学者であるユージン・ボーランド氏は言う。残念ながら、科学者たちは、新生臓器にダメージを与えることなく後で除去したり溶解したりできる幹細胞を成長させるための足場をまだ考案していない。

テックショットは、宇宙で臓器を印刷することで、足場を使わずに心臓全体を成長させることができると考えている。

「地球上でこれをやろうとすると、一瞬はきれいに見えるものの、すぐにテーブル上で溶けてしまうでしょう」とボーランド氏は言う。「ゼリーの型にゼリーを流し込んですぐに出そうとしたような感じで、お皿の上でゼラチン状の塊になってしまうでしょう。」

しかし、微小重力は、心臓が足場なしで形を維持するのに役立ちます。その理由の 1 つは、低重力により 3D 形状をより直接的に印刷できるためです。地球上では、心臓の模型などの複雑な 3D オブジェクトは、時間のかかるプロセスで 2D レイヤーとして重ね合わせて印刷する必要があります。nScrypt の CEO である Kenneth Church 氏は、これを「2.5D」と呼んでいます。微小重力での印刷では、オブジェクトを本物の 3D で吐き出すことができるため、速度が最大 100 倍向上します。

7 月の放物線飛行中、nScrypt と Techshot が印刷した最初の心臓構造は、飛行機の重力が回復した直後、印刷後わずか 1 分で高さが半分ほどに減少した。国際宇宙ステーションの無重力状態により、幹細胞は形を保ちながら、機能する心臓の組織に成長するはずである。ボーランド氏は、宇宙で作られた臓器は、培養プロセス開始後約 45 日で地球に帰還できると見積もっている。

チャーチ氏は、このプロジェクトを 3D プリントの誇大宣伝と失望を乗り越える方法と見なしている。「人々は、ヨーダのフィギュアがプリントされるのを見ることに飽き飽きしています」と同氏は言う。「彼らは『あなたは私に心臓を与えると約束したのに、それはどこにあるの?』と言います。そこで私が言いたいのは、『それは宇宙にあります』ということです。」

普通のケーブル会社とは違う

NASA のスペース ポータル オフィスの物理学者、イオアナ コズムタ氏は、何百もの宇宙関連技術を検討してきました。彼女の役割は、宇宙でビジネスをしたい潜在的なパートナーを探し、吟味することです。「私の目標は、商業宇宙の成功事例を作ることです」と彼女は言います。「しかし、誇大宣伝に苦労しています。」

コズムタ氏の仕事の一部は、魅力的だがリスクのある分野につきものの失望の危険を心配することだ。数々の爆発事故は、ブラックスワン起業家のイーロン・マスク氏でさえ、ロケット科学の恐ろしい複雑さから生じる高くつく間違いから逃れられないことを示している。あるいは、リチャード・ブランソン氏が2008年に、宇宙観光事業は2010年半ばまでに開始されると予測したことも思い出してほしい。そして2013年のクリスマス。そして2014年のクリスマス、その期限は試験飛行中の致命的な事故によって台無しになった。宇宙は、地球上で最も賢く裕福なビジネスマンにとっても難しい。NASAの宇宙ポータルのために何百もの企業を評価してきたコズムタ氏は、計画に穴がたくさんあるにもかかわらず、エキサイティングな宇宙ビジネスのアイデアを思いついたと主張する幹部に注意しなければならない。

FOMS は南カリフォルニアの企業で、来年 ISS で物資の製造を開始するための資金を獲得した。同社はプロジェクトの経済的基盤をしっかり保つことで資金を獲得した。FOMS の主任科学者であるドミトリー・スタロドゥボフ氏は、プラチナなどの希少金属を宇宙で採掘するというアイデアを断念することにした。プラチナは現在 1 キログラムあたり約 3 万ドルで取引されている。同氏の見解では、それでも宇宙採掘を採算のとれるものにするには不十分だ。「たとえ月が純プラチナでできていたとしても、我々のモデルでは月でプラチナを採掘して地球に持ち帰るのは商業的に実現可能ではないことがわかっている」と同氏は言う。

その代わりに、FOMS はより軽量で、1 ポンドあたりの価値がさらに高いものに狙いを定めました。それは、特殊な光ファイバー ケーブルです。この言葉を画面に表示するのに役立ったと思われる一般的な光ファイバー ケーブルは、1 キログラムあたり 3,000 ドルから 5,000 ドルで販売されています。しかし、より大量のデータを送信できる特殊な光ファイバー ケーブル、またはより少ない電力で済むためデータ送信が安価になる特殊な光ファイバー ケーブルは、どうでしょうか。最も高価なタイプは、1 キログラムあたり数百万ドルにもなります。これは、宇宙で物を作るコストとリスクを正当化できる、重量に対する価値の比率です。

ZBLAN の頭文字で呼ばれるタイプのような特殊な光ファイバーは地球上でも作れるが、簡単ではない。ZBLAN を作る通常のプロセスでは、この特殊なガラスの塊、つまり「プリフォーム」を摂氏 300 度以上に加熱し、チューインガムの長い紐のように、通常 10 ～ 20 メートルの高さの落下塔から引きずり下ろす。しかし、白熱した塊の大きさによって、できるケーブルの長さが制限され、ファイバーは最大で約 700 メートルになる。理想的には、接続ポイントで信号が失われるため、企業はより長いセグメントを望んでいる。さらに、重力によって ZBLAN の結晶構造が沈殿し、欠陥が生じて信号が弱くなる。

だからこそ、スタロドゥボフは、地球上では実現できないほど高品質で大量の製品を生み出すために、ZBLAN やその他の複合材料を ISS で引っ張ることに目を向けている。彼は、光ファイバー ケーブルを庭のホースのように巻き取るドロップ タワーに相当する荷物サイズの装置を使った試作品の作成に協力した。「理論上は 24 時間で数百キロメートルを引っ張ることができます」とコズムタは言う。そして、重力がないので、面倒な結晶化も発生しない。

ZBLAN は地球上で作るのは難しいが、紫外線や深赤外線などシリカよりもはるかに広いスペクトルの光を伝送できるため、研究者たちはこの物質に興味をそそられている。これは、紫外線外科用レーザー、目に安全な赤外線製造ツール、熱追跡ミサイルへのより優れた対抗手段など、未来の技術の開発に役立つ可能性がある。また、ブロードバンド パイプを「太く」することもできる。コズムタ氏は、既存のシリカベースの光ファイバー ケーブルと比較して、宇宙で作られた ZBLAN はパイプを移動する際に信号強度の損失が約 100 倍少なくなると見積もっている。あるいは、同じ量のデータをより長い距離、より少ない電力、より安価な送信機器で送信できるため、データ送信プロセスのコスト削減にも役立つ可能性がある。

ケーブルスプールはどうやって地球に戻ってくるのだろうか？「SpaceXで持ち帰ることができます」とコズムタ氏は言う。

ヒ素の明るい面

宇宙で作られた素材の中には、地球に持ち帰らなくても役に立つものがあります。ガリウムヒ素という化合物を考えてみましょう。これは 8 インチのウェハー 1 枚あたり約 5,000 ドルかかり、製造時に多くの有毒な副産物 (ヒ素が大量に発生します) が発生します。しかし、この化合物は優れたソーラー パネルになり、当たる光の約 40 % をエネルギーに変換します。一方、地球上に一般的に設置されているシリコン ベースのパネルの変換効率は 15 ～ 20 % です。

ヒューストン大学の材料科学者アレックス・イグナティエフは、1990年代にNASAの宇宙船「ウェイクシールド施設」に搭載された宇宙真空中で初めてガリウムヒ素半導体を製造した。宇宙で作られた半導体は、地球上で作られたものより1万倍も品質が優れていた。これは、原子状酸素と宇宙の真空の質により、化合物を1原子の高さの層に整然と成長させ、歪みなく数百から数千の層を重ねることができるためである。これらの歪みがないため、太陽光発電の効率が高く、理論上は欠陥のないガリウムヒ素は60パーセントもの効率で太陽光発電を行うことができる。

イグナティエフ氏は、日本が2015年に提案し実証実験を開始した太陽光発電所と同様に、軌道上に数キロメートル幅のガリウムヒ素パネルアレイを設置し、太陽エネルギーを集めてマイクロ波で地球に送り返すことを構想している。地球上で壊れやすいパネルを作り、複数回の飛行で爆破するのではなく、イグナティエフ氏はコストを大幅に削減する方法として、宇宙で太陽電池を組み立てたいと考えている。

「宇宙にいるときは、静止軌道に乗って常に太陽を向いて、地球上のどこかに電波を送ることができます」と彼は言う。地球上のメッシュ状の受信機がマイクロ波信号を受信するが、その信号は十分に拡散するため、飛行機、鳥、作物、家畜に害を及ぼさない。

地球低軌道が浮遊する有毒廃棄物の投棄場になるのを見たがる人はいないでしょう。幸い、宇宙には有害な残留物を分解する独自の能力があります。地球の大気圏外では、太陽からの紫外線が危険な分子を分解し、その成分は無害に拡散します。「地球は閉鎖系ですが、宇宙はほとんどの分子にとって非常に腐食性の高い開放環境です」とイグナティエフは言います。「分子は宇宙の真空環境によって分解されるか蒸発します。」

有毒な生産物を地球から移すというこのアイデアは、アマゾン・ドット・コムとブルー・オリジンの創業者ジェフ・ベゾスが6月と9月に述べたやや不可解なコメントを彷彿とさせる。「宇宙に行くのは地球を救うためだ」と彼は言った。さらに、環境上の理由から「宇宙に巨大なチップ工場」を建設する必要があると付け加え、半導体などの製造という汚いビジネスを地球から完全に移すことになると述べた。

そして、私たちの電子機器は美しく輝いているが、コンピューターチップの製造は確かに汚い。コズムタの計算によると、12インチの集積回路1個を製造するには、チップの洗浄と冷却に2,200ガロンの水が必要で、2015年にはそのような集積回路が9,000億個製造された。廃水処理の取り組みにもかかわらず、米国の半導体企業は2003年から2013年の間に1万件の環境違反を指摘された。しかし、宇宙の極寒の真空を冷却剤として使うなら、水など必要だろうか？

宇宙で作られた

見通しがいかに魅力的であっても、地球外での製造には莫大な資金とリスク許容度が必要です。命が失われ、莫大な費用がかかることはほぼ確実です。しかし、だからといって実現できないわけではありません。無重力状態での心臓プリントが成功した後、Techshot の Boland 氏はこの画期的な成果を祝う時間を取りました。「驚きました。宇宙にいる人たちは、おそらく文字通り、バックフリップをしていたと言っても過言ではありません。」

そして、nScrypt のチャーチ氏は、ISS で心臓を印刷する以上のことを考えている。生産速度を大幅に向上できれば、真の 3D 印刷と「2.5D」の層ごとのアプローチの利点により、宇宙印刷は地上の大手メーカーとさえ競争できるようになる。イグナティエフ氏の数キロメートル幅の宇宙製ガリウムヒ素太陽電池パネルのアイデアはその一例だが、同じ原理は衛星や宇宙船にも当てはまる。「宇宙ですべてを印刷したい」とチャーチ氏は言う。「宇宙でロケットを印刷したい」