今年の夏、飛行機が胃がひっくり返るような急上昇を見せ、メキシコ湾上空3万フィートに突入しました。目的はスリルを求めることではなく、もっと真に大胆な試みでした。放物線飛行によって搭乗者は約25秒間、擬似無重力状態となり、ハイテクプリンターが心臓幹細胞を噴出させ、乳児の心臓を2つの心室に分けた簡略化された構造を再現しました。
これは確かに素晴らしい成果だが、さらに大胆な目標への道の一歩に過ぎない。幹細胞プリンターのメーカーであるnScrypt、インクを提供する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パッチを印刷する計画を立てている。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といった民間宇宙飛行企業は、税金で儲けようとする金持ちたちの虚栄心を満たすプロジェクトだと批判されてきました。しかし、これらの企業の台頭は、宇宙への物資や機器の打ち上げコストの急落につながっています。現在では、1キログラムの物資を打ち上げるのに約5,000ドルかかりますが、スペースシャトル時代は30,000ドルでした。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、そして極寒といった地球低軌道特有の特性を製造業に活用しようとしています。彼らの実験は既に、医学、技術、材料科学の分野における革新を促しています。軌道上製造が成功すれば、最終的には私たちのものづくりの方法を根本的に変える可能性があります。
心が軽くなる
心臓移植患者は、新しい心臓が移植されるまで何ヶ月も待つことがあります。移植後も、異物である心臓を拒絶反応させないために、生涯にわたって免疫抑制剤を服用しなければなりません。患者自身の幹細胞から作製された心臓であれば、より早く、免疫拒絶反応の可能性も低く、患者のもとに届けられる可能性があります。また、元の心臓のサイズにぴったり合うように完璧に調整することも可能です。
しかし、地球上で心臓を印刷するとなると、重力は深刻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を培養するには、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、細胞が十分に動き回り、健康な心臓組織へと癒着していくことができるからです。この水っぽい粘稠度のため、地球上で心臓を培養するには、支持構造が必要になります。
「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ようなものです」と、テックショットの主任科学者であるユージン・ボーランド氏は言います。残念ながら、科学者たちは、幹細胞を培養するための足場をまだ考案しておらず、この足場は、後から除去したり溶解したりしても、新生臓器に損傷を与えることはありません。
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したら、一瞬は綺麗に見えますが、すぐにテーブルの上で溶けてしまいます」とボーランド氏は言う。「まるでゼリーの型に流し込んですぐに出そうとしたかのように、お皿の上でゼラチン状の塊になってしまいます」
しかし、微小重力環境は、心臓が足場なしで形状を維持するのに役立ちます。これは、低重力環境によって3D形状をより直接的に印刷できるためです。地球上では、心臓模型のような複雑な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、ケネス・チャーチ氏はこれを「2.5D」と呼んでいます。微小重力環境での印刷では、オブジェクトを真の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、機体の重力が回復した直後、印刷開始からわずか1分で高さの約半分にまで減少しました。国際宇宙ステーションの無重力状態により、幹細胞は機能する心臓の組織へと成長する過程で形状を維持できるはずです。ボーランド氏は、宇宙で作製された臓器は培養開始から約45日後に地球に帰還できると見積もっています。
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手段と捉えている。「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るんです」と彼は言う。「『あなたは私に心臓を約束したのに、それはどこにあるの？』と彼らは言うでしょう。でも、私が言いたいのは『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、数百もの宇宙関連技術を検証してきた。彼女の役割は、宇宙でビジネスを展開したい潜在的なパートナーを探し、審査することだ。「商業宇宙事業の成功事例を創出することが私の目標です」と彼女は言う。「しかし、誇大広告に苦しんでいます。」
コズムタ氏の仕事の一つは、魅力的だがリスクも伴う分野につきものの、失望の危険を憂慮することだ。数々の爆発事故は、ブラックスワンの起業家イーロン・マスク氏でさえ、ロケット科学の恐るべき複雑さから生じる高くつくミス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ていたことを考えてみよう。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、試験飛行中の死亡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、厳しい世界だ。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、計画に穴だらけなのに、刺激的な宇宙ビジネスのアイデアを成功させたと主張する幹部には用心深くなければならない。
FOMSは南カリフォルニアに拠点を置く企業で、来年からISSで宇宙探査を開始するための資金を獲得した。同社はこのプロジェクトを堅実な経済基盤の上に築き上げたことが、この資金獲得の要因の一つとなっている。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の宇宙採掘という構想を断念した。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。スタロドゥボフ氏によると、それでも宇宙採掘を収益性の高いものにするには不十分だという。「たとえ月が純プラチナでできていたとしても、私たちのモデルは、月でプラチナを採掘して地球に持ち帰ることは商業的に実現不可能であることを示しています」と彼は言う。
代わりにFOMSは、より軽量で、かつ1ポンドあたりの価値がさらに高いもの、つまり特殊光ファイバーケーブルに着目しました。この言葉が画面に表示されたのも、おそらくこのタイプの光ファイバーケーブルが、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るからです。しかし、より多くのデータを伝送できる、あるいは消費電力が少ないためデータ伝送コストを安く抑えられる特殊光ファイバーケーブルはどうなるでしょうか？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特殊な光ファイバーは地球上で製造可能ですが、容易ではありません。ZBLANの通常の製造工程では、この特殊ガラスの塊、つまり「プリフォーム」を300℃以上に加熱し、それをチューインガムのように、通常10～20メートルの高さの落下塔から引きずり下ろします。しかし、白熱した塊の大きさによって、最終的に製造できるケーブルの長さが制限され、光ファイバーは最大で約700メートルの長さになります。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理想的に求めています。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ります。
だからこそスタロドゥボフは、ZBLANをはじめとする複合材料をISSで引き上げ、地球上でははるかに高品質かつ高効率な製品にすることを目標にしている。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を荷物サイズに換算したプロトタイプの開発に協力した。「理論上は24時間で数百キロメートルを引き上げることができます」とコズムタ氏は言う。しかも、重力がないため、面倒な結晶化も発生しない。
ZBLANは地球上で製造するのが難しいものの、紫外線や深赤外線など、シリカよりもはるかに広い波長域の光を透過できるため、研究者たちはこの物質に興味をそそられています。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、熱追尾ミサイルへの対抗手段強化といった未来技術の開発に役立つ可能性があります。また、ブロードバンドのパイプを「太く」することもできるでしょう。コズムタ氏の推計によると、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、宇宙で製造されたZBLANはパイプ内を移動する際の信号強度の損失が約100倍少なくなるとのことです。さらに、同じ量のデータをより長い距離、より少ない電力で、より安価な伝送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貢献する可能性があります。
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。
ヒ素の明るい側面
宇宙で作られた素材の中には、地球に持ち帰らなくても使えるものがあります。例えば、ガリウムヒ素という化合物は、8インチのウエハー1枚あたり約5,000ドルもかかり、製造時に多くの有毒な副産物（ヒ素！）を生成します。しかし、この化合物は優れた太陽電池パネルの材料となり、入射光の約40%をエネルギーに変換します。これは、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が15～20%であるのに対し、非常に優れています。
ヒューストン大学の材料科学者アレックス・イグナティエフ氏は、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ました。宇宙で製造された半導体は、地球上で製造されたものよりも1万倍も品質が優れていました。これは、原子状酸素と宇宙の真空状態により、化合物を原子1個分の高さで整然と成長させ、数百から数千層に積み重ねることができ、歪みが生じないからです。こうした歪みがないため、太陽光発電の効率が向上します。理論上、欠陥のないガリウムヒ素は最大60%の効率で太陽光発電を行うことができます。
イグナティエフ氏は、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という構想を描いている。これは、日本が2015年に提案し実証実験を開始した太陽光発電所に似ている。地球上で壊れやすいパネルを作り、複数回に分けて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、静止軌道に乗せて常に太陽を向き、そこから地球上の特定の場所にビームを照射することができます」と彼は言う。地球上のメッシュ状の受信機で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、家畜への被害は避けられる。
地球低軌道が浮遊する有毒廃棄物投棄場と化すのは誰も望んでいません。幸いなことに、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、宇宙は開放系であり、ほとんどの分子にとって非常に腐食性が高いのです」とイグナティエフ氏は言います。「分子は宇宙の真空環境によって分解されるか、蒸発するでしょう。」
有毒物質の生産を地球から移転させるというこのアイデアは、Amazon.comとブルーオリジンの創業者ジェフ・ベゾス氏が6月と9月に述べた、やや不可解な発言を彷彿とさせる。「宇宙に行くのは地球を救うためです」と彼は言った。さらに、環境上の理由から「宇宙に巨大な半導体工場」を建設する必要があると付け加えた。そこでは、半導体などの汚染物質を製造するという環境負荷の高い作業が地球から完全に排除されることになる。
電子機器の美しさはさておき、コンピューターチップの製造は実に汚い。コズムタ氏の計算によると、12インチの集積回路1個を作るのに、チップの洗浄と冷却に2,200ガロン（約1140リットル）の水が必要で、2015年には9,000億個の集積回路が製造された。排水処理へ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1万件も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、一体誰が水を必要とするというのだろうか？
宇宙で作られた
どれほど魅力的な展望であろうとも、地球外での製造には莫大な資金とリスク許容度が必要となる。人命の損失と莫大なコストはほぼ確実だ。しかし、だからといって実現不可能というわけではない。無重力状態での心臓プリントに成功した後、テックショットのボーランド氏はこの節目を祝った。「驚きました。宇宙船にいた人たちは、おそらく文字通りバク転していたでしょう。」
nScryptのチャーチ氏は、ISSで心臓を印刷する以上のことを構想している。生産速度を大幅に向上させることができれば、「2.5D」の層ごとに印刷するアプローチと比較して、真の3D印刷の利点を活かして、宇宙での印刷は地上の大手メーカーにも匹敵するようになるだろう。イグナティエフ氏が構想した、幅数キロメートルの宇宙製ガリウムヒ素太陽電池パネルはその一例だが、同じ原理は衛星や宇宙船にも当てはまる。「あらゆるものを宇宙で印刷したいんです」とチャーチ氏は言う。「ロケットさえ宇宙で印刷したいんです」
