空间微重力经济发展前景

文｜刘洁 李明 谷巍

1.中国长城工业集团有限公司

2.中国空间技术研究院卫星应用总体部

2022 年6 月，麦肯锡公司发布《微重力的潜力：各行业如何投资航天》报告[1]，对空间微重力的地面应用潜力和经济前景进行了分析。报告结论认为，制药、美容与个人护理、食品与营养、半导体等行业在利用空间微重力环境开发新产品、提升产品性能和缩短研发周期等方面预计将取得重大突破、产生显著应用效果，具有创造出数十亿美元地面市场价值的巨大潜力。随着进入低地球轨道空间的成本持续降低，商业空间微重力资源开发活动日益活跃，众多行业开展空间微重力研发活动的可行性持续提高，当空间微重力应用成本降到一定范围内时，其地面应用市场将得以彻底打开。麦肯锡公司根据目前低轨商业微重力资源的建设进度判断，2030 年前空间微重力经济的商业模式将得以建立，并形成可观的市场规模。

一、空间环境的特质

一般来说，空间环境是指地球大气层以外的宇宙空间环境。空间环境特别复杂，甚至不可预测，与地面环境有很大不同。典型的地球轨道空间环境主要包括真空、微重力、粒子、太阳辐射、地球反射和地球红外辐射等。[2]

由于地球轨道空间环境具有提供长期微重力、强辐射和高真空条件的特质，地面耗资巨大也难以模仿和复制，为科学研究和制造活动取得突破与创新成果提供了宝贵机会。

1．微重力

微重力环境的定义为：在重力的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境。对于航天器内的环境来说，由于飞行过程中航天器所受的惯性加速度与地球引力加速度相平衡，此时即可视为是微重力状态。不同航天器（轨道高度、载人与否）干扰力的影响不同，因此微重力量级也不同，正常情况可达到10-3～10-6g，即地球表面重力加速度的千分之一到百万分之一。[3]

大量实验表明，有机物和无机物的特性会随着重力变化而改变。例如，活细胞在感知到重力减弱后，新陈代谢受到影响；而无机物在重力消失后浮力状态也会改变。

2．强辐射

在近地轨道空间环境中，电离辐射为400 ～10000Gy/y，电磁辐射为1367W/m2，强度比地面高15 ～650 倍。放射性离子可导致生物体细胞内的DNA 断裂，进而引发细胞突变，使生物体的形态、生长速率和基因表达发生改变。美国国家航空航天局（NASA）指出，人类在空间居住超过6 个月受到的辐射为50 ～200000mSv，相同时间在地面受到的辐射为620mSv。

3．高真空

真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，离地面200 ～500km 的近地轨道空间为真空度10-4Pa 的高真空。而在高真空环境中，有机物活细胞会出现脱水和渗透膜破裂现象，无机物在化合时气体引入杂质的几率大大降低。

二、空间微重力在典型领域的应用前景

据麦肯锡统计，标题或摘要中“微重力”的专利数量从2000 年的21 项激增到2020 年的155项。制药、美容与个人护理、食品与营养、半导体等四个行业通过与航天企业合作，有望在空间微重力环境中开展空间实验（试验），取得重大技术突破，甚至发明新产品。由此将显著提高行业总体收入，创造数亿美元甚至数十亿美元的收入增长。空间微重力研发带动典型行业收入增长预测见图1。

图1 空间微重力研发带动典型行业收入增长预测

1．制药

据麦肯锡公司统计，制药行业每年的研发支出达2800 亿美元，此外与从事临床试验的合同外包服务企业的合作支出约为800 亿美元。如果航天企业能够提高创新成果回报收益、提高化合物开发成功率或缩短产品研发周期，则可从中获得研发经费。部分潜在应用如：

1）用于疾病预测模型的细胞培养。传统的通过地面实验培养细胞建立疾病模型的做法已经非常普遍，但现阶段科学家在积极致力于研究空间微重力环境和空间辐射对细胞生长模式和基因表达带来的变化及影响。

2）类器官。科学家在地面实验室需要耗费漫长时间和大量资源在非常复杂的三维支架上培养类器官，用于医学研究。学术界和航天机构在近年的合作研究中发现，科学家们在无人值守的轨道飞行任务中，在没有支架的情况下，从胚胎干细胞培育出了成熟度更高的类器官。科学家甚至还设想在空间环境中基于特定成体干细胞来培养类器官，而这在地面无论如何也不能实现。

3）药物研发。肿瘤药物是制药行业最大的产品组，开发难度高，风险—回报率非常差。如果制药企业能够在空间肿瘤药物研发方面取得突破，将有可能提高药物研发成功率，加快产品开发周期，确定药物研发的新目标。麦肯锡公司的一项分析表明，通过空间微重力环境开发的一款肿瘤新药可为制药公司带来12 亿美元的平均净现值。

空间制药领域还在对空间视网膜制造技术等方面进行尝试。麦肯锡基于对空间制药的设想应用进行预测，认为制药企业每年将可以从太空制药获得28 亿到42 亿美元的收入。

2．美容与个人护理

在美容和个人护理领域，皮肤护理有望首先开展空间应用。预计到2025 年，皮肤护理将占行业收入的34%（约2080 亿美元）。随着消费者更加关注有科学数据支持的产品，皮肤护理领域研发支出规模将快速增长，其中优质护肤品研发和活性成分生产两个领域最为突出。

优质护肤品收入预计在2024 年前保持高达13%的年均复合增长率，预计2025 年收入达到930亿美元。空间强辐射环境可加速衰老，因此在空间环境的研发活动有望开启对皮肤护理的新发现，还将有助于产品推销。

另一个重要领域是涉及维生素、视黄醇等护肤产品活性成分的研发与生产，该领域每年研发投入保持在4.6 亿美元的稳定规模，预计将以高达19%的年均复合增长率持续增加，在2025 年创造15 亿美元的收入。空间微重力环境可降低沉降率并减少浮力的影响，使不同物质更容易化合，利于护肤品公司研发和生产活性成分。科学研究表明，在空间培养的酵母具有较高的生长速率和代谢产物，可以提高护肤产品效果。

3．食品与营养品

人用营养品市场规模约10 万亿美元，其中保健品的市场规模预计到2025 年将达到170 亿美元。益生菌是保健品中适合空间微重力开发的良好选择。随着消费者对保持身体健康和提高免疫力的关注增加，益生菌的受欢迎程度持续提升，在食品配料行业中的研发支出占比高达30%，位居首位。

在空间微重力环境下，益生菌的生长和代谢表达与地面不同，空间实验（试验）可以帮助科学家更好地了解环境对益生菌的影响，发现和开发出新的益生菌，以提高益生菌产品的功效。麦肯锡公司的研究表明，发现有益健康的新型益生菌菌株可带来1 亿美元甚至更高的商业价值。微生物在空间微重力悬浮液中可能生长更快，因此利用空间环境提高益生菌产量的研究也具有潜在价值。

4．半导体

半导体行业市场规模庞大，预计2025 年市场销售额达到7250 亿美元，届时研发支出预计高达900 亿美元。

在空间制造半导体可以利用真空环境，促进薄层技术创新。如果科学家能够利用空间环境研制出尺寸更小的半导体结构，那将会创造出巨大的市场收入。2020 年，NASA 曾通过“国际空间站”微重力商业开发项目资助Made In Space 公司开展空间低成本、规模化自主制造高品质芯片的能力研究。麦肯锡公司认为，在太空中进行大规模、低成本的半导体制造可能需要十年或更长的时间。

三、美国率先推动空间微重力商业活动从政府牵引向私营主导过渡

NASA为牵引开发空间微重力环境的商业价值，于2012 年开始发布《征求验证探测技术和提高国家实验室利用率的提案》，为利用“国际空间站”开发空间微重力的商业价值征集研究项目并提供经费支持。NASA 根据研究项目技术和市场成熟度的高低确定资金支持力度，对于成熟度低、处于概念研究和探索阶段的项目给予全部经费支持，对于技术成熟度和市场成熟度均达到9 级、具备进入市场条件的研究项目甚至要求企业自筹高达80%的研发经费。[4]

随着空间微重力研发活动的市场价值得到实现和认可，商业公司对空间微重力环境的需求日渐明确。为进一步推进空间微重力资源的商业化进程，NASA 于2019 年发布了《低轨商业化发展计划》，进一步向美国企业开放“国际空间站”资源，对微重力资源及服务实施明码标价，并制定了从NASA主导开发低轨微重力资源逐步过渡到商业航天具备提供空间微重力资源的能力并最终向NASA 提供服务的发展路线图。[5-6]

2022 年11 月21 日，美国山脉航天公司（Sierra Space）首席执行官在美国航天新闻（SpaceNews）网站发布署名文章《低轨正在经历人类有史以来最深刻的工业革命》声称：在政府和私营航天企业的共同努力下，人类长期驻留低轨空间的“轨道时代”即将到来，带来万亿美元的经济规模，成为人类有史以来最深刻的工业变革，低轨微重力、强辐射和高真空环境的商业化应用将创造出巨大的商业价值。

美国山脉航天公司、公理航天公司（Axiom Space）、纳型支架公司（Nanoracks）等商业航天企业通过参与“国际空间站”项目计划逐渐建立各自的空间舱段和商业空间站，为美国政府部门和各行各业提供丰富的空间微重力资源。山脉航天公司计划2023 年开始实施追梦者航天飞机访问“国际空间站”的任务，在4 年内完成可延展的空间舱段部署，未来将开展空间制造业务。[7]公理航天公司计划于2025 年发射该公司首个空间站舱段，于2031 年建成商业空间站。该公司称已经签署价值20 亿美元的订单，其中已经收到客户4 亿美元付款。[8]纳型支架公司已经积累10 余年空间微重力服务经验，计划于2024 年开始发射前哨（outpost）轨道平台，开展空间制造业务。[9]

四、结语

空间微重力资源的开发及应用始于政府主导的大型工程项目，并由政府通过向社会开放空间微重力资源，倡导和牵引传统地面行业在空间微重力环境开展研究与创新，鼓励将成果转化为地面示范项目，形成应用价值，带领社会各行业逐渐认识到空间微重力的应用潜力和经济价值，促进更广泛的社会资源参与空间微重力资源的开发与应用，建立商业模式，打造空间微重力经济形态。

随着进入空间的成本逐渐降低和空间微重力资源日益丰富，政府主导的空间微重力科研活动将逐渐过渡为企业主导的空间微重力市场经济。