想象一下在国际空间站、前往月球的 Gateway 或前往火星的宇宙飞船中度过一整天的微重力生活。从早上起床到晚上睡觉,你会做什么?这些事情有什么不同?宇航员在微重力环境下吃饭、每天至少锻炼 2 小时、刷牙,但这并不完全一样,因为所有东西都漂浮着!他们也努力工作,尽情玩乐——从进行重要的科学研究到在太空中编织或弹吉他。你可以进行哪些微重力实验来了解微重力生活的不同之处?你可以创新(和测试!)哪些发明或技术来帮助宇航员在微重力环境下生活?
科学技术的进步是继续在低地球轨道开展活动的首要原因,也可以说是最纯粹的原因。NASA 从在低地球轨道微重力环境中运行的时间中学到了很多东西。然而,最近发布的美国国家科学、工程和医学院 2023-2032 年太空生物和物理科学研究十年调查强调了还有许多东西需要了解。NASA 资助基础研究以满足这些十年优先事项,一些科学问题只能通过微重力环境下的实验来回答。低地球轨道通常比将实验送入太空更远的地方更具成本效益。开展这些实验需要一个包括训练有素的研究科学家和研究设施的微重力研究生态系统。
3D 生物打印在过去几年中发展迅猛,能够制造简单和复杂的组织模型。国际航天机构已经认识到这些技术为太空基础研究制造细胞和组织模型提供了独特的机会,特别是研究微重力和宇宙辐射对不同类型人体组织的影响。此外,生物打印能够生产临床适用的组织移植物,因此其在太空中的实施可以支持宇航员在未来长期和远距离太空任务中的自主医疗治疗选择。本文讨论了在太空条件下(主要是在微重力条件下)操作不同类型的生物打印机的机会和挑战。虽然一些工艺步骤(其中大部分涉及液体处理)在微重力条件下具有挑战性,但这种环境可以帮助克服低粘度生物墨水中细胞沉降等问题。希望该出版物能够激励更多的研究人员参与该主题,并在不久的将来在国际空间站(ISS)提供公开的生物打印机会。
凭借前所未有的太空通道,我们现在可以利用微重力来指导整个药物发现、设计和开发过程。微重力研究带来了新的科学见解,可以实现创新疗法,并允许制药公司将之前搁置的未能充分发挥其潜力的药物重新投入开发流程。微重力药物研究的一个有前景的领域是微重力下药物的结晶。研究发现,由于浮力减小以及缺乏自然对流、沉降和相分离特性,微重力几乎消除了干扰,从而减缓了结晶速度并产生了更大、更有序的药物晶体。此外,没有重力意味着成批的晶体往往比在地球实验室中制造的晶体更均匀,缺陷更少。Redwire 利用其在太空生物技术研究方面的专业知识,在应对微重力结晶带来的机遇方面取得了重大进展,于 2023 年 11 月成功推出了一个尖端药物开发平台,礼来公司 (Lilly) 是第一个客户。 Redwire 今年取得了两项具有重大意义的突破性成就
STS-50INSIGNIA STS050-S-001 - 由机组人员设计的 STS-50(美国微重力实验室,USML-1)的徽章,捕捉到一架在地球上空飞行的航天飞机,尾随 USML 旗帜。轨道器以典型的微重力科学姿态垂直放置,这个位置代表任务缩写标题中的数字“1”。这次飞行是 USML 系列飞行中的第一次,主要目标是微重力科学,由美国政府、工业界和学术界共同策划和执行。在有效载荷舱中可以看到太空实验室模块,以及将进行首次飞行的延长持续时间轨道器“低温”托盘。太空实验室模块上的小写“g”和希腊字母“mu”象征着用于材料科学和流体物理领域研究的微重力环境。大写字母“U”延伸到徽章边缘之外,象征着此次飞行中的实验有可能拓展微重力科学的现有知识范围。USML 大写字母中的星条旗和下方地球场景中的美国陆地反映了机组人员对所有机上实验源自美国的自豪感。NASA 航天飞机飞行徽章设计仅供宇航员使用,并供 NASA 管理员授权的其他官方使用。仅以插图形式向公众开放
Bowles 博士及其同事将大鼠心肌细胞置于模拟微重力或正常重力条件下,放置时间为 12 小时、48 小时或 120 小时。研究小组报告称,尽管在两种条件下,12 小时和 48 小时后蛋白质丰度没有差异或略有差异,但在模拟微重力 120 小时后,蛋白质丰度差异明显增大。研究小组随后使用一种新颖的改良型细胞培养技术,测量标记氨基酸与新合成蛋白质的结合情况,以确定心肌中的蛋白质周转率。结果表明,与正常重力环境相比,随着时间的推移,微重力环境中的蛋白质周转率急剧下降。
宇航员 Loral O'Hara 和 Jasmin Moghbeli(从左至右)站在微重力科学手套箱前,这是国际空间站命运号实验室舱内进行生物和物理实验的研究设施。Moghbeli 在微重力科学手套箱中安装了 Flawless Photonics 公司用于在太空中拉制光纤的机器。
与应用空间技术和微重力(ZARM)和德国航空航天中心(DLR)合作,联合国外在航天事务办公室(UNOOSA)提供了Drop Tower实验系列(Droptes)。droptes是在所有主动性访问空间的超高/微重力轨迹下的动手机会,供学生团队在德国的布雷蒙跌落塔进行微重力实验,这是一个基于地面的实验室,高度为146米。unoosa支持团队的旅行费用,DLR资助5滴或弹射器的发射,Zarm在准备和实验活动期间提供了住宿和技术支持。到目前为止,来自6个机构的国际学生团队已经从7轮实验中受益,他们进行了许多不同类型的科学实验和技术演示任务。
在生物学和物理科学中微重力研究的重要性这一基本的生物学和物理科学研究是进入创新的生物学和技术突破的渠道。例如,通常植物的根源向下生长,在那里他们很容易吸收水和养分进入土壤。在太空中,根部朝各个方向生长,水和其他必要的植物食品漂浮。与植物在太空中的研究致力于系统研究,这些研究探讨了高等植物生活中各个阶段重力扮演的作用。研究的重点是重力与其他环境因素与植物系统的相互作用,并使用超重力,模拟的低重力和微重力作为提高植物生物学基本知识的工具。研究结果为进一步的人类探索空间的努力做出了贡献,并通过在医学,农业,生物技术和环境管理中的应用来改善地球上的生活质量。
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