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太空投资回馈地球:地球上空研发疫苗

2012-05-08 19:54:52 本文行家:莫刚

其中一个最激动人心的结果是,科学家们已经确认沙门氏菌在失重环境下会变得更加恶性,而失重环境与在人体肠道内的环境非常类似。空间实验也发现,沙门氏菌有167种与地面不同的基因表达。

地球上空研发疫苗

国际空间站是一个令人吃惊的实验剧场
国际空间站是一个令人吃惊的实验剧场
詹姆斯·韦伯太空望远镜可以帮助改善我们的视力
詹姆斯·韦伯太空望远镜可以帮助改善我们的视力
“好奇”号上的X射线衍射仪
“好奇”号上的X射线衍射仪
在地球240公里以上研发疫苗
在地球240公里以上研发疫苗
宇宙飞船提供的数据用途巨大
宇宙飞船提供的数据用途巨大
更快将数据从太空传输到地球
更快将数据从太空传输到地球
 
据国外媒体报道,今年2月13日,美国总统奥巴马宣布了总额为3.8万亿美元的2013财政年度预算案。在最新预算案中,国防预算和航空航天预算都遭到了削减,其中美国国家航空航天局(NASA)的预算被削减2.26亿美元,部分与欧洲的合作科研项目也被直接取消。

  削减预算对NASA的行星科学部门或多或少会产生一些影响,该部门主要负责NASA的火星探测漫游者(MER)计划,该计划的主要目的是将“勇气”号(Spirit, MER-A)和“机遇”号(Opportunity,MER-B)两辆火星车送往火星 ,对火星这颗红色行星进行实地考察。该部门也负责让宇宙飞船围绕土星和月球的轨道运行,并拜访太阳系内的其他星体,诸如小行星灶神星和柯伊伯带(柯伊伯带是离太阳50—500天文单位的一个环带,理论推测认为其是短周期彗星的发源地)内的星体等。如果NASA退出了这两个已经计划好的火星探测任务,那么,将只剩下欧洲航天局(欧空局)独挑重担了。

  预算方案一出,立即引发了广泛的讨论。据美国《大众科学》网站报道,包括NASA和太空科学的忠实拥护者、纽约美国自然历史博物馆天文馆馆长尼尔·德格拉斯·泰森在内的一些知名人士认为,NASA一直面临着资金不足的问题。另外,NASA存在的意义不仅在于鼓励年轻一代要勇于追求一些伟大的事业,而且也将孵化和催生全新的经济和技术形式,创造就业岗位和财富,促进经济腾飞。

  当然,也不乏反对之声。美国《大西洋月刊》的专栏作家梅根·麦克阿德最近也撰写了一篇文章,标题就直接为《尼尔·德格拉斯·泰森对NASA的支持是错误的》。她在文章中写到,如果我们追求的是经济利益,那么,日益增多的商业太空机构才是我们的创富机器,而缺乏清晰的前进方向的政府机构NASA则不是。

  显然,争论各方都有自己的合理之处,问题的关键也不是让二者决一雌雄,分出胜负。政策专家们当然能够就预算、政府和NASA的政策进行争论。不过,《大众科学》网站在文章中表示,无论如何,有些事情是显而易见的,那就是,对太空科学领域的投资已经让地球获益匪浅。过去NASA就做到了这一点,而且做得非常好,NASA也将继续朝这个方向努力。

  其实,当我们为詹姆斯·韦伯太空望远镜、新的火星漫游者探测器慷慨解囊或投入巨资想方设法延长国际空间站(ISS)的寿命时,我们是在为一种可能性买单,那就是,这些技术也能为地球提供很多好处。更重要的是,从地球上最复杂的太空望远镜那儿获得更好的验光工具或者在国际空间站上进行微重力研究以研制出沙门氏菌疫苗等先进的技术和科学理念带给地球的好处无法通过其他方式取得。

  《大众科学》网站为我们列出了正在如火如荼进行的太空研究带给地球的6个方面的好处。

  詹姆斯·韦伯太空望远镜让我们可以看得更清楚

  当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)于2018年发射进入太空时,它将帮助人们管窥更早期的宇宙。但现在,它已经通过改进很多测量技术开始帮助人们提高视力了。另外,科学家们也对用来给该望远镜的18个主要镜面成像的传感技术——“波前成像”技术进行了精炼和完善,目前,这项传感技术能让眼科医师以前所未有的精度测量人眼内的畸变。

  而且,这些改进了的测量技术也促进了眼部疾病的诊断和治疗研究的进展,使激光眼科手术更高效,同时,也对新型隐形眼镜的设计产生了重大影响。对美国几亿佩戴矫正眼镜的人来说,詹姆斯·韦伯太空望远镜不啻为一个光明使者,为他们的眼部健康保驾护航。

  “好奇”号的X射线衍射仪:在越南揪出假药

  去年11月,NASA发射了其有史以来最强力、最先进、使用核动力的六轮火星探测器“好奇”号(Curiosity),预计飞行36周后,它将登陆火星,寻找火星是否曾经有生命存在的迹象。

  “好奇”号火星探测器是几个具有开创性的技术创新中的一项,NASA的科学家们正想方设法将尽可能多的硬件“塞进”这个可能是“体重”最轻的宇宙飞船上。这一初衷让NASA艾姆斯研究中心的戴维·布莱克这样的创新人士不得不耗费数年时间来为各种设备“瘦身”。比如,布莱克就耗费几十年,将一台X射线衍射仪的大小从一台冰箱那么大缩小到一个公文包那么小。结果,“好奇”号上装配了轻质、紧凑型的X射线设备,而与此同时,全世界得到了全球首款商业出售的手提式X射线衍射设备Terra。

  inXitu公司研发出的Terra是第一个真正的便携式X射线系统,专门用于岩石和矿物分析。已申请专利的样品处理系统可最大限度地减少样品制备时间,而且,Terra鉴定的准确性已达到实验室系统可达的准确度。

  目前,X射线衍射设备Terra已经成为众多学科领域的研究人员的“得力助手”,他们将其带到实验现场来辅助自己的研究。采矿公司和矿产勘查公司使用该设备分析在现场获得的物质的化学成分。美国洛杉矶盖提美术馆报道称,他们使用这套设备来对艺术赝品进行分析和评估。该设备还可以用来安全地探测炸弹。另据报道,美国食品和药物监督管理局(FDA)正考虑使用便携式X射线衍射设备用于药物阻断。

  布莱克还有个爱好,那就是帮助发展中国家尤其是越南当局找出假药。对这些国家和地区来说,假药是一个严重的威胁,会让公众健康和药品公司都蒙受极大的损失。

  Terra的例子告诉我们,当大技术被做得足够小时,它才能真正在全球各地“遍地开花”,真正走进寻常百姓的生活。

  在地球240公里之上研发疫苗

  正在国际空间站上进行的与导致人类肠胃炎的沙门氏菌有关的实验已经为我们提供了很多与这种病原体的毒性有关的知识。其中一个最激动人心的结果是,科学家们已经确认沙门氏菌在失重环境下会变得更加恶性,而失重环境与在人体肠道内的环境非常类似。空间实验也发现,沙门氏菌有167种与地面不同的基因表达。

  与此同时,这些实验也为科学家提供了关键线索,使他们能够更快研发出沙门氏菌疫苗来挫败这种病菌的毒性。美国亚利桑那州立大学的两个科研团队目前正试图通过研究一种经过遗传修改的沙门氏菌菌株(这种菌株携带有一个具有防护性的能对抗肺炎链球菌的抗原,肺炎链球菌可能会导致脑膜炎、肺炎以及菌血症)以研制出沙门氏菌疫苗。

  重组减毒沙门氏菌疫苗(RASV)研究也使科学家们能预见他们研制出的抗肺炎球菌的疗效究竟有多大。正在进行的与RASV有关的研究已经制造出了一种非常极富前景的口服疫苗,科学家们正在地球上进行临床试验测试该疫苗的疗效。

  目前,科学家们已经在国际空间站上进行了大量微重力科学和空间生命科学实验,实验的初衷是为了保障宇航员在空间探索时的健康,比如,科学家们已经证实,微重力响应会增加产生疾病的可能性。这些结果更好地揭示了病原体传播疾病的机理,同时有助于预防人在太空中生病。有些研究已经取得了重大突破,而且有不少研究成果已开始用于改进地面人类的生活质量。

  令人吃惊的实验剧场:国际空间站

  国际空间站“身价”不菲,很多在国际空间站上进行的科学实验似乎都与地球生活有关。与大型强子对撞机(LHC)和美国正在研发的KM3NeT中微子望远镜(该望远镜将成为人类史上第二大建筑,它将被固定到海底来保存光电倍增模块组,这个模块组用来捕捉象征着与宇宙中微子交互作用的闪光)一样,国际空间站也是一个令人震惊的实验室,而且,很多科学实验只能在此进行。尽管国际空间站的维修保养费用非常昂贵,但关闭它所造成的科学影响会更大。

  为什么这么说呢?只要看看在国际空间站上进行的都是一些什么样的研究,就能自然而然地得出这一结论了。国际空间站的主要任务是进行微重力研究,这些研究将会促进地面高科技的发展。

  微重力环境下可以生长出比地面质量更好的蛋白质单晶,利用这些单晶可以获得蛋白质的结构信息,从而有利于研制新药和促进蛋白质工程的发展。目前,空间蛋白质晶体生长已经成为一项新的空间商业计划项目,吸引了众多商家的关注和参与。

  另外,美、欧、日都在大力进行空间沸石研究。沸石是一种多孔材料,广泛用于石油催化等过程。地面生长的沸石结晶只有微米尺寸,而空间生长的结晶可达毫米。通过空间沸石制备研究,将直接获取高质量的沸石晶体和改进地基沸石制备工艺,促进炼油效率的提高,其具有重要的商业价值。

  在国际空间站上进行的柔性和火焰燃烧试验正在研究火焰在微重力下的行为,以便我们更好地理解火这个人类最重要的原始工具的行为,并借此研发出先进的地面雾水灭火新技术,以取代目前灭火剂使用的卤化碳氢化合物。另外,通过微重力实验的高级燃烧(ACME)试验正在研究物质在微重力下的燃烧过程,实验结果有助于使燃料的燃烧更完全,污染物排放更少,燃烧效益更接近于理论极限。

  载人航天过程需要对宇航员进行细致的医学监护,特别要针对骨流失、肌肉萎缩等寻求应对措施,这些空间医学成果亦可改进地面治疗骨质疏松等疾病的相关医疗水平,促进人类健康。另外,为了对空间工作的宇航员进行医监和医保,各国发展了遥医学技术。目前,遥医学已应用到地基系统,可以对边远地区的患者进行实时医学处理。

  国际空间站的材料实验(MISSE)将几百种材料样品暴露在空间站外,以研究太阳辐射、原子氧化腐蚀、热回路、微气象环境、轨道垃圾碰撞及飞行器污染物的作用。这些结果对工业界、科学界、空间局和国防部都非常有用。而且,国际空间站上还进行着植物生物学、生物技术科学、机器人科学、医学以及人类生理学等方面的实验。由此可见,国际空间站对地球科学和技术的价值一直是而且仍然是非常巨大的。

  宇宙飞船也在进行地球科学研究

  尽管NASA让其本来可以多次使用的航天飞机退休,但是,航天飞机雷达地形测绘使命(SRTM)提供的数据仍然在源源不断地给地球提供福利,同时也提升了美国西海岸沿岸太阳能发电厂的效率。

  SRTM数据主要由NASA和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量。2000年2月11日上午11时44分,美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空,“奋进”号上搭载的SRTM系统共计进行了222小时23分钟的数据采集工作,获取北纬60度至南纬56度之间、面积超过1.19亿平方公里的9.8万亿字节的雷达影像数据,覆盖全球陆地表面的80%以上,该计划共耗资3.64亿美元,获取的雷达影像数据经过两年多的处理,制成了数字地形高程模型。

  现在,加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的科学家们正在使用SRTM收集到的数据制造复杂的地形地图,这些地图会将地球表面由河流和峡谷等特征造成的阴影考虑在内。而且,该研究团队提供的地形地图能够更加详细地分析地球围绕太阳旋转一周的过程中这些地形特征对特定地面所造成的影响。

  使用这些地图,从设计发电厂的设计师到为居民屋顶安装太阳能设备的人都能设计出更好、更经济可行的太阳能项目。在太阳能产业领域,阴影是敌人,而且,安装得不好的太阳能阵列可能会让产能下降,这将导致这些太阳能阵列需要耗费更长时间才能收回成本,并且提供给国家电网的能量也将会下降。因此,设计出更好的太阳能项目会增强人们对太阳能技术的信心,也将有助于提高太阳能设备的效率,减少浪费,让太阳能项目更快更好地造福人类。

  让数据流更快从太空传输到地球

  尽管削减预算会对NASA的行星科学部门产生一定的影响,但是,该部门确实已经将探测机器人漫游者发往火星,NASA的管理者也正考虑用其他预算内的零用钱来重启其火星探测项目,不过,要做到这些,需要让地球和飞往火星的机器人漫游者之间保持紧密的联系。

  现在,科学家们需要花费90分钟才能通过无线电波将火星上的高清图片传送到地球,同时NASA也已经预感到,这几乎已经是无线电波所能做到的极限了。因此,NASA目前正使用一个新的光学系统来提高数据传输速度,其能将空间之间的传输速度提高10倍到100倍。对于未来数据负载很重的宇宙飞船来说,使用一种新的通过空气进行数据传输的光学数据传输系统可能会彻底变革整个领域的面貌。

  “激光通讯中继演示”(LCRD)项目将一个实验性的负载放置在一个商用通信卫星的轨道上,并使用激光、探测器、一个追踪系统、两个不同的调制解调器和其他硬件来测试地球和低地球轨道之间的激光通讯情况。LCRD的目的是解决在大气环境周围操作一个光学通讯可能面临的挑战,因为大气周围的环境可能会干扰激光束的完整性。如果一切进展顺利,科学家们将在接下来的几年内演示一个完全起作用的激光通讯系统。

  对地球来说,能使用光学系统将大量数据从太空传送到地球(或者从地面传送到宇宙飞船上或者返回到地球上不同的地方)的前景非常诱人,尤其是在复杂的人造军事监测系统不断增加的情况下,能够快速将数据从太空传输到地球上对希望能尽快将相应信息传递给地面上进行操作的士兵的情报分析人员来说不可或缺。当然,除了用于军事目的外,这些设备也可以广泛民用。随着全球数据的需求量不断飙升,任何能够采用光学方式通过空气快速传递大量数据的系统都能在光纤无法施展技能的地方“大展拳脚”。

  因此,认为为太空科学投入的巨资仅仅只是照亮我们头顶的天空这一想法未免失之偏颇。其实,很多巨资最终都以新知识和技术的形式回到了地球,它们正以各种形式丰富和充实我们的生命。人类投入太空领域的资金并没有竹篮打水一场空。

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