仿真助力将孢子送入太空

太空似乎不像是培育所有生物产品的理想环境，但事实证明，微重力环境是适合多种科学实验的“培养皿”。从癌症生长和疫苗研究到干细胞和组织工程，微重力使细胞能够以一种在地球上难以复制的方式生长：形成三维结构。过去，细胞培养是在扁平的培养皿中进行的。所有空间都是三维的，构成我们身体的组织和细胞也是三维的。在美国宇航局（NASA）以往的航天任务中进行的实验表明，在微重力条件下生长的细胞会以三维方式排列，更接近体内（in vivo）生物学的情况。

Yuri是一家利用太空微重力环境开发和制造生物技术产品的太空生物技术公司。该公司致力于研发用于细胞培养、蛋白质结晶和植物的模块化生物反应器和培养箱，并将其发射到国际空间站（ISS）和其他航天器。自2022年以来，Yuri自行开发了一系列生物技术产品，这些产品是在微重力条件下触发或进行制造的。其中，包括识别专门用于生物制造的新型太空细菌株，以及利用太空环境触发自然适应，产生具有调整特征的非转基因微生物。

Yuri于2019年由前空中客车（Airbus）工程师Maria Birlem和Christian Bruderrek与创业者Mark Kugel共同创立。Birlem和Bruderrek在空中客车任职期间，从事了大量国际空间站有效载荷的工作，并发现了微重力在政府资助的研究之外对于生命科学的巨大潜力。从那时起，他们在德国南部总部和卢森堡工程中心逐步创立了一支包含30多名成员的团队。这支由航空航天工程师和生物学家组成的团队，将数十年的载人航天工程和空间生物学经验相结合，为地球乃至太空中人类的健康创造光明的未来。

Yuri与德国航空航天中心（DLR）的德国航天局签订了合同，旨在将波恩-莱茵-锡格应用技术大学（Hochschule Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences）设计的两项实验有效载荷放置在Exploration Co.的Nyx航天器上。该项目是“Mission Possible”任务的一部分。Yuri正在Ansys Apex渠道合作伙伴CADFEM的帮助下，通过使用仿真来实现这一目标。

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2023年底，欧洲航天局（ESA）发起了一项竞赛，旨在推动到2028年实现近地轨道（LEO）空间站的往返货运服务。目前，欧洲与其国际合作伙伴以互惠交换的方式，将货物和宇航员送入太空。不过，随着商业公司在世界各地掀起下一波太空竞赛，人们将有望开发私营的空间站，而不是国际空间站等机构拥有的空间站。欧洲并不打算单纯购买太空的入场券，而是想自行开发近地轨道（LEO）空间站的往返货运方式。

2024年5月，欧洲航天局宣布了其商业货运计划的两份合同，其中一份合同授予给了Exploration Co.。该公司正在研发一款模块化、可重复使用且可在轨道上加注航空燃料的航天器，该航天器以古希腊掌管宇宙创造的女神Nyx命名。

Nyx的初始迭代版本，可携带多达4000公斤的货物进入近地轨道，并在轨停留最长达六个月。目前，Exploration Co.正在接受来自企业的预订申请，涵盖各种拟开展的实验，包括与微重力相关的实验。

除了DLR参与的多个其他研究项目外，这一特定的实验侧重于太空辐射中的孢子萌发。如前所述，微重力条件在地球上很难创造。此外，如果在地面上重现太空中的辐射强度，可能会危害科学家的健康。

被送入太空的孢子样本，是一种叫做炭黑曲霉的霉菌。这可能听起来像太空版末世题材电视剧《最后生还者》（The Last of Us）中的细菌灾难导火索，但其实炭黑曲霉是一种农业害菌——导致葡萄腐烂的罪魁祸首，而不是让人类灭绝的威胁。炭黑曲霉迅速传播，因此是理想的科学实验对象。

耐热性能仿真

Yuri搭载在Nyx上的有效载荷将由两个ScienceBox、一个Nyx适配器机械接口板，和一个集成到接口板上的Nyx适配器电气插头组成。该公司使用Ansys Mechanical结构有限元分析（FEA）软件对有效载荷接口板和ScienceBox进行结构分析，以确定标称载荷和待改进区域。

每个ScienceBox都包含三个流体系统，而每个流体系统都包含两个薄膜储罐、蠕动泵、一个基板和一个培养室。Yuri负责开发这些系统，并根据客户需求对其进行3D打印。这些流体系统需要满足特定的科学实验要求，例如：

• 通过与被动培养基接触，在微重力条件下激活干燥的孢子
• 在实验过程中进行气体交换，以供给孢子
• 在微重力条件下生成显微图像
• 在微重力实验结束时对孢子进行固定

为了捕获显微图像，主ScienceBox在每个流体系统中都包含无透镜显微镜，而副ScienceBox系统中没有显微镜。

Yuri在培养室旁边添加了摄像头传感器和micro-LED阵列，以收集显微图像。其中，摄像头既是主要的耗电元件，也是主要的发热元件。而为了获得所需的图像，摄像头必须靠近对温度敏感的生物样本。

Yuri首席技术官Daniel Kaschubek表示：“问题就在于，我们必须将最大的发热组件，放在对温度最敏感的样本旁边。”2021年，Daniel Kaschubek加入Yuri公司，负责领导无透镜显微镜的研发。

孢子样本与摄像头传感器之间的距离仅为1.3毫米。根据孢子的温度分析结果，其温度应保持在20摄氏度至37摄氏度之间，否则孢子无法萌发。

Kaschubek解释道：“Nyx太空舱是一种返回示范舱，因此其热系统针对实验有效载荷的优化程度有限。我们从Exploration Co处得知，系统温度范围介于0摄氏度到50摄氏度之间，这一范围远比孢子所能承受的温度范围大得多。”

并且，这还不包括摄像头产生的热量。遗憾的是，由于有效载荷的功率有限，无法添加冷却系统，但可以添加小型加热系统。

为了确定采用/不采用加热辅助时的不同温度范围，Yuri使用Ansys Fluent流体仿真软件运行了两次热分析，其中一次假设温度为35摄氏度，另一次假设温度为7摄氏度。

该公司基于这些设计案例开发了加热系统，还将摄像头直接粘合到培养室上。

Kaschubek表示：“显微镜和热分析密切相关，仿真不仅可帮助我们快速高效地迭代设计，满足所有要求，还有助于我们进行权衡和检查限制。例如，我们使用热分析来得出显微镜摄像头传感器的最长工作时间，从而推动与显微镜相关的进一步设计决策。”

Fluent软件具备良好的可行性和操作便捷性，使Yuri能够轻松快速生成和分析设计案例。Kaschubek表示：“在该软件中进行网格划分非常简单，总的来说，这款集成解决方案非常好，使我们能够满足多种不同的分析需求。”

尽管Yuri在设计方面取得了长足进展，但仍有许多工作要做。通常情况下，Nyx太空舱并没有针对有效载荷进行优化设计，因此Yuri必须将其完整的ScienceBox发送给Exploration Co.，以便该公司能够围绕有效载荷构建太空舱。“Mission Possible”任务目前计划于2025年进行。

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