从卫星探测器到薯片包装机:落入凡间的太空科技

图1：空间技术如何在地面上找到自己的位置 图/James Taylor

图2：空间技术的衍生品 制图/网易探索

网易探索1月21日报道 据《新科学家》杂志报道，提起太空/空间技术，人们的第一印象就是尖端、先进、神秘，其实许多的航空航天领域的技术，已经被应用在了我们的日常生活中。也许你不会想到，果珍最初是为了给宇航员改善饮用水口味而发明的；太空探测器穿过地球的大气层最终降落在泰坦星表面上，而千里之外他的兄弟版本正在袋装炸薯片。

五花八门的技术应用

在接到欧洲航天局（ESA）的电话之前，格奥尔格·库伯瓦尔纳从来没有想过他最喜欢的零食和土星最大的卫星之间有什么共同之处。

库伯瓦尔纳在德国拥有一家名为Hyperschall Technologie Göttingen的公司，该公司的主要业务就是为ESA等机构的航天器进行风洞测试和空气动力学的计算。这次ESA提出了一个不寻常的要求：公司的科学家和工程师们能不能从日常工作中抽点时间出来，设计一种更快的炸薯片封装方法？库伯瓦尔纳的团队一口应承了下来。最后，他们发现了一种更精巧地方法，利用气流的空气动力学原理来加速生产线上薯片的移动，使封装的速度提高了50%。

ESA为这样一个100%与空间探测无关的行业进行技术改造，这听上去可能有点奇怪。不过这事儿从经济学的角度倒是说得通。ESA、NASA和 JAXA（日本宇航探索局）等机构每年都在研究领域投入了数十亿美元的资金，他们拥有世界上最好的技术和设施。正因如此，位于荷兰诺德韦克的ESA技术转让办公室才有了用武之地。弗兰克·萨尔斯格伯是这个机构的负责人。“我们让纳税人花的每一分钱都物超所值。”他这么形容自己的工作。

NASA为航天器防护而发明了特氟龙，为在零重力下固定物品而发明了维可牢魔术贴，为了改善循环水的口味而发明了果珍……这些都只是美丽的神话。不过确实有很多来自航天工业领域的技术在我们的日常生活中扎下了根。本文就将告诉您，这些技术是如何从冷冰冰的外太空降落人间的。

萨尔斯格伯的工作是推销航天科技的应用，他具有销售人员所应具有的一切优点——光彩照人、能言善辩、自信满满。他对ESA各个实验室的工作了如指掌，同时又具有敏锐的目光，能够发现可以应用这些技术的地方。他和手下的“空间技术销售商”在整个欧洲大陆来回穿梭，为那些想要用空间技术解决问题的公司穿针引线。他们每年大概可以做成二十几笔这样的技术转让生意。

萨尔斯格伯团队推销的绝大多数“产品”都不落俗套。最显眼的东西怎么都卖得掉，因此，太空技术销售商们就得“榨干柠檬里的最后一滴水”，充分挖掘技术的潜力。不过通常被他们榨出来的东西都很令人印象深刻。

保罗·弗农是位经纪人，在位于达斯伯里的英国科技设施委员会为ESA工作。5年前参观伦敦玛丽大学的实验室时，他发现了一座金矿。当时，工程师埃贾兹·胡克正在通过显微镜向他展示一些异乎寻常的太空应用小工具。只需要一点点电流产生的热量，双层塑料上的微型悬臂就可以弯曲一定的角度，精确地控制卫星上镜子的方位。就在那时，他的脑子里灵光一闪。

思考过可能的应用后，弗农建议胡克将其中的一个小装置放进液体里看看会发生什么。他们惊讶地发现，悬臂弯曲的角度和液体的粘稠度具有线性关系，而悬臂的弯曲度可以通过电子设备读出。“我当时的想法就是，一次性的黏度测定计可以卖给谁？”弗农回忆道，“随后我就想到了医药界。”

这是个很有远见的想法。心脏病和中风的高危人群需要定期检测他们的血液浓度，以便确定什么时候服用稀释血液的药物：血液过于粘稠的话就会结块，而太稀则会引起凝血障碍。全球的血液粘度计市场价值超过10亿美元，在这一前景的刺激下，弗农成立了一家名为Microvisk的公司，将这种太空用微型悬臂改造成了方便实用的手持仪器。Microvisk的血液粘度计仍在研发之中，不过目前的临床实验已经表明，他们的设备在所有处在研发阶段的同类产品中测定最为精确。

空间技术运用典范：GPS

要说哪项空间技术在地球上应用最为广泛，那一定非GPS莫属。先不说GPS那些广为人知的应用（如车载卫星导航），洪水预测、危险排放物跟踪以及个体的碳足迹跟踪等等领域都从卫星定位技术中受益匪浅。如果要评选GPS技术最超出常规而又有趣的应用，那来自德国的前技术支持人员安迪·勒琳的点子一定会上榜。

每到周末，勒琳都会和他的朋友们一边看电视上的一级方程式大赛一边在电脑上玩赛车游戏。“有人提议说‘要是能把这两样合二为一就好了’。”他回忆道，“这样我们就能和真正的F1赛手而不是电脑比赛了。”

勒琳对如何实现这一想法有了大概的思路。现代的F1赛车上都有大量的传感器，传感器记录了海量的关键数据，像是油门、制动、加速度等等，并将这些数据传送到后方。事实上，通过这一遥测系统提供的数据完全可以将赛车虚拟出来，虚拟出来的赛车就有可能通过网络被应用在实时的游戏中。唯一缺失的重要数据就是赛车所在的现实位置。尽管每辆赛车上都有GPS，但GPS通常只能精确到15米左右，对游戏来说这是很大的误差。

绞尽脑汁的勒琳向萨尔斯格伯的团队寻求帮助。那时候，ESA正在加紧研究精度更高的卫星定位系统，准备在不久的将来和美国的民用GPS系统一争高下，这一系统就是后来的“伽利略”。2006年勒琳在一场地区性竞赛中胜出，得到了超过8万欧元的奖金来进一步将他的想法现实化。

随着伽利略卫星的升空，萨尔斯格伯的员工向勒琳提供了可以扫除之前障碍并纠正一些卫星定位错误的技术。一般的GPS系统在接收到几个轨道已知的卫星所发出的信号后就开始计算自己的位置。但大气波动会影响信号的传播速度，从而导致计算错误。为了避免这种失误，像OmniSTAR这种跨国机构都会通过接收所有GPS卫星的信号并计算平均值更正错误，然后再将结果发送给用户。

勒琳的新公司就使用了OmniSTAR的服务，公司一开张就收到了2000多位游戏迷的申请，他们都急切地想要尝试这一新技术的应用。萨尔斯格伯将这笔买卖看作自己最成功的作品之一。到10月份时，超过5000用户试用了这一软件的高性能跑车赛试用版。勒琳的团队也发现，他们可以将赛车的定位误差缩减到 10厘米左右。勒琳目前正在与大型游戏制造商洽谈合同，相信在不久的将来，世界各地的电视游戏迷们就可以与路易斯·汉密尔顿（最年轻的F1世界冠军）同场竞技了。

在大西洋的另一边，NASA也推广应用了不少太空技术的经典衍生品。其中最出名的可能就要数百得牌的尘土终结者真空吸尘器了。NASA委托百得设计一款可以钻透3米深月面的高能效钻机。百得在此过程中研发的高能效解决方案使得他们造出了可以装在口袋里、靠电池驱动的吸尘器。

下面还有一个发生在德克萨斯州贝勒医学院的故事。几十年来，已故的外科医生迈克尔·德贝基一直在研究帮助孱弱心脏工作的人工血泵，他和乔治·农一起致力于对血泵的设计进行改良。1984年时，农和德贝基为了拯救一位心脏病患的生命而进行了一场器官移植手术。手术成功了，而这位康复出院的病人就是NASA的火箭工程师戴维·苏西尔。

苏西尔对火箭推进器上推送燃料的巨泵研究颇深，他还认识三个可以帮得上忙得NASA工程师。将这三位工程师介绍给德贝基和农之后，他们就开始了对太空船 “轴向涡流”泵的研究。这种泵的管道里有一个带有螺纹的转轴。初期的测试中，血红细胞在泵中都受到了破坏，但在大约50个改进方案之后，他们获得了一个在动物实验中效果良好的设计。“NASA对泵燃料经验丰富，但他们没有泵过血。”农说。

如果苏西尔因心脏病住院时德贝基和农的血泵已经研究成熟，那么他很可能根本就不需要心脏移植，只要安装一个血泵就好了（虽然心脏移植手术成功，但苏西尔在不久后因癌症而去世）。尽管如此，2003年以来，已经有400多位心脏病患安装上了这种血泵。由于只有一个转轴且没有瓣膜，这种血泵的性能十分稳定，而且噪音也很小。最主要的是，它的体积很小，也就是说，儿童心脏病患者也可以使用。

在这个例子中，两位外科医生很幸运地遇到了可以帮助他们的专家，但事情并不总是这样发生。绝大多数这类成功故事的背后都有空间技术转让经纪人的身影。他们的任务就是将客户的难题与隐藏在一大堆可用技术之后的解决方案配上对，这可不是一件容易的事。尽管可以查询网站、数据库和学术期刊，但通常解决方案都来自于经纪人日常所具备的知识。“我的脑细胞只有这么多，这真让人沮丧。”NASA位于得克萨斯州休斯敦市约翰逊宇航中心的创新型伙伴项目负责人米歇尔·布莱克说，“我真希望可以将我们所有的知识和信息都存在我的脑子里，这样我在外面与人洽谈的时候就可以对那些信息信手拈来了。”

幸运的突破

布莱克可以举出许多令人难忘的案例。在其中一个案例里，她向我们展示了宇宙飞船的对接技术如何帮助成千上万的用户不用戴眼镜和隐形眼镜就能视物。这种技术被称作LADAR，它的原理和雷达差不多，都是通过计算脉冲到达一个物体并返回所用的时间来确定物体的大小。唯一的不同就在于雷达使用无线电，而 LADAR使用激光。

LADAR可以让飞船的对接精确到毫米。而对那些视力不佳的人来说，它最吸引人的地方就在于可以每秒接收数千次信号。通常情况下，医生在对病人进行激光眼科校正手术时使用视频摄像机来跟踪眼球的转动，以便使激光手术刀落在正确的地方。但病人的眼球有时候会痉挛性地快速转动，摄像头根本无法跟踪，这种情况下，医生只能取消手术。而LADAR的接收速率非常高，对付区区痉挛性眼动根本不在话下。

航天技术具有如此众多的应用衍生品（如图2所示），因此政府部门在缩减航空机构的预算时实在是需要仔细衡量一下其影响的广泛性。尽管ESA的各个成员国都面对着经济衰退的窘境，但他们坚定地提出了下一年度8亿欧元的预算。相比之下NASA的日子就艰难多了。划拨给NASA的资金在总预算中所占的比例从1990年代起就一直在下降，而众议院还在研究是否要对人类重返太空的计划提供额外的资金支持。“我知道政府有许多需要花钱的地方，我也能够接受他们为NASA所作的预算，而尽可能充分地利用这一预算对所有NASA的雇员来说都是一个挑战。”布莱克如此表示。

太空技术的失误竟成医疗科技的进步

颇具讽刺意味的是，最能表现出航天工业重要性的应用衍生品甚至都没有在真正的航天计划中亮相。这一技术可以帮助医生在乳房的X光片上找出肿瘤那模糊的轮廓，使得乳腺癌检查不再需要伤筋动骨。这一技术使数百万女性免于疼痛、惊吓以及射线照射之苦，同时每年还为美国的健保基金节约至少10亿美元。总之，这是一项利国利民的技术。那么，这一技术是怎么来的呢？

简而言之，这项技术来自于一个失误。就在1990年4月哈勃太空望远镜发射后不久，NASA的工程师们惊讶地发现，其中一块镜片上的瑕疵使得传回来的照片都变得模糊不清。而纠正这一失误需要在望远镜的光路上加装校正镜片——也就是后来广为人知的“哈勃的眼睛”。

但在至少3年时间内，宇航员都无法对其进行修复。于是丧失耐心的NASA科学家们就开始寻找替代性的图像校正方案。不久之后，他们就都成为了数字图像修复专家，能够通过锐化软件来使图片上不显著的特征清晰化。而到1994年，康涅狄格州丹伯里的Lorad公司就使用了同一款软件来校正乳腺X光片。“在我看来，这就是航天技术造福于人的例证。”布莱克说。

尽管在那冰冷、黑暗的深空中，航天任务随时都面临着失败的危险，但在这地球上，航天技术所带来的成功却远远超出了我们的想象。