據說中國空間站要搞事情？看看空間站適合開展哪些實驗

2018.3.21

　　作者：邸鳳萍張偉（中國科學院空間應用工程與技術中心）

　　全國兩會上，委員為我們帶來了不少關于載人航天空間應用的新消息：

　　中國將于2020年前后發射空間站核心艙，之后發射實驗艙，中國空間站將正式組建并運行。中國的空間站既是為中國科學家、也是為全球科學家提供的優秀科學探索平臺，空間站里將涌現出更多科學成果，有望揭示宇宙的諸多奧秘。

　　——全國政協委員、中國載人航天工程總設計師周建平

　　今年將開啟第三批航天員選拔工作。前兩次（航天員選拔）以駕駛員為主體，未來根據工程建設需要，還要選拔飛行工程師，執行對空間站的建造、維護維修等任務。同時，還要選拔載荷專家在空間站開展大量科學實驗，將空間站建設成為國家級的太空實驗室。

　　——全國政協委員、中國載人航天工程辦公室副主任楊利偉

　　今年上半年，將面向內地和港澳臺地區公開征集載人空間站應用項目建議。作為中國航天史上規模最大、長期有人照料的空間實驗平臺，將為空間生命科學與生物技術、微重力流體與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間天文等研究提供空間實驗條件。

　　——全國政協委員、中國科學院空間應用工程與技術中心主任高銘

　　這些消息振奮人心！那么究竟為什么要在空間站里做實驗？委員們所說的多個領域空間科學實驗具體指什么呢？與我們生活到底有什么關系呢？下面就為大家一一介紹。

空間站上的獨特研究環境

　　圖1。航天員在天宮艙內（來源于網絡）

　　微重力環境：相信大家都看到過宇航員在太空艙內 “漂浮”的畫面。這是因為他們處于“微重力”的環境中。我們在地面所接觸的任何物質在太空中都是處于微重力的環境下，微重力改變了通常可以觀察到的很多現象。在這種環境下，物質分子間的結構及其相互作用等物理特性也會發生變化。同時，空間站提供了長時間的微重力環境。

　　極端環境：空間站上還具有一些極端條件，包括極熱和極冷循環、超真空、原子氧和高能輻射等，這些條件在地面很難模擬。

　　利用空間站上獨特的環境，為我們開展如生命科學、基礎物理、材料科學等領域的研究提供了條件，實驗結果將作為地面相關領域科學研究和實驗驗證的重要補充，是獲取重大科學發現和成果產出的重要途徑。

空間站上適合開展的科學研究

　　1空間生命科學與生物技術

　　在過去40億年的生命進化中，重力一直作為關鍵因素發揮著重要的作用。而空間站特有的長時間微重力環境，為生命科學研究提供了獨特的機會。

　　通過開展基于種群、個體、組織、細胞等不同層次的空間重力生物學研究，揭示微重力環境下生物體的重力感知、信號轉導與傳輸及響應機理；

　　探索空間輻射環境下生命分子結構和功能的變化，揭示空間環境與不同遺傳背景生物體相互作用的分子機理；

　　開展受控生態系統的生物學問題與技術研究，探索改善地球上惡劣或極端環境生態條件的方法；

　　開展蛋白質晶體制備和生物分子組裝研究，更好地解析結構-功能關系等。

　　這些研究將為農林優良品種選育、制藥和醫學技術發展、人類太空生存與探索提供重要的理論指導。

　　圖2。天宮二號高等植物培養箱返回單元抽薹開花的擬南芥

　　在天宮二號空間實驗室我國首次完成了高等植物“從種子到種子”包括萌發、生長、開花、結籽的空間長周期培養實驗，研究微重力條件下高等植物的生長發育規律，同時將為農作物品種改良提供關鍵候選基因。

　　2微重力流體與燃燒科學實驗

　　空間站長期的微重力環境，為研究流體在新力學體系內的運動規律提供了優越的條件，諸如非浮力的自然對流，多尺度的耦合過程，表面張力驅動的流動，氣-液-固相間的傳遞機制等方面研究；

　　為研究燃燒的化學反應過程提供了良好的機遇。諸如預混氣體燃燒、氣體擴散燃燒、液滴燃燒、顆粒和粉塵燃燒、典型氣體環境中燃料表面的點火和傳播、流動過程與燃燒的耦合等方面的研究，對工業過程與工藝優化、能源開發與有效利用、環境污染控制與保護、滅火防火等安全防護方面具有重要的意義。

　　圖3。天宮二號液橋熱毛細對流實驗

　　熱毛細對流現象是指在空間環境完全失重的特殊條件下，由表面張力驅動的熱毛細流動成為主要的自然對流形式，它也是影響空間流體熱、質輸運過程的主要因素。天宮二號液橋熱毛細對流實驗目的是在微重力環境下深入剖析熱毛細對流的真實過程，為科學控制晶體生長過程中浮力對流、熱毛細對流的影響，為生產出高質量的材料奠定基礎。

　　3空間材料科學

　　大多數材料全部或部分是從流體形成的，熱量和物質從流體向固體的遷移在微重力環境下會發生變化，從而影響材料的成型和材料的最終性能。利用這一特性可以開展材料加工過程的物理規律、材料加工生產及工藝等方面的研究，從而獲得性能全新的材料。例如泡沫材料、新型合金和半導體、納米材料等先進材料；新型光催化材料、太陽能電池材料、合成肌肉等特殊材料，具有在地面和空間廣闊的應用前景。

　　圖4。天宮二號上航天員更換綜合材料實驗樣品

　　天宮二號空間實驗室在軌完成了3批共18支材料樣品實驗，主要研究半導體光電子材料、金屬合金及亞穩材料、納米及復合材料制備機理，揭示在重力環境下難以獲知的材料物理化學過程的規律。

　　4微重力基礎物理

　　基礎物理學研究涉及空間、時間、能量和物質構成。現代物理學的主要理論是基于愛因斯坦相對論和粒子物理的標準模型，但是這些理論描繪的圖景還不完整，愛因斯坦的引力論可能需要重新思考。最近的天文觀測和宇宙學模型表明，暗物質和暗能量，這些無法被直接觀察到且未被完全理解的存在，在最大尺度上支配著這些相互作用。所有這些無法解釋的觀察結果和矛盾點都提示有可能發現新的理論。

　　在空間開展基礎物理實驗的優勢包括長期微重力條件、易于測量引力勢和相對運動的變化、大氣對光學和無線電信號傳播的干擾減少等，可以開展高精度的相對論與引力物理檢驗實驗、最基本的量子物理現象等科學實驗，帶動諸多科學和技術領域的革命。

　　圖5。空間冷原子鐘實驗典型應用

　　天宮二號空間冷原子鐘頻率日穩定度將達到10^-16，可實現約3000萬年誤差1秒的超高精度，這是國際上首臺在軌運行并開展科學實驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度原子鐘。實驗的成功為在空間建立高精度時間頻率系統和開展冷原子物理研究奠定了基礎，為空間冷原子干涉儀和原子陀螺儀等敏感器的開發提供了技術積累。將在衛星導航定位系統、廣義相對論驗證、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

　　5空間天文

　　空間站位于近地軌道，具有大氣影響小，長期穩定運行等特點，為天文觀測和高能探測提供了有利的條件，可實現較高分辨率的長期巡天觀測。在宇宙天體的起源與演化、宇宙組成結構等方面開展研究，瞄準“一黑”（黑洞）、“兩暗”（暗物質、暗能量）、“三起源”（宇宙起源演化、天體起源演化、地外生命起源）等前沿重大基礎科學問題，取得原創性重大成果，提升在國際學術領域的水平。

　　圖6 哈伯望遠鏡拍攝的宇宙照片

　　載人航天總設計師周建平透露空間站伴飛的光學艙亦在研制中，它將搭載2米口徑的巡天望遠鏡。這臺望遠鏡的分辨率與美國哈勃空間望遠鏡相當，視場角是后者的200多倍，它將在大范圍巡天科學研究方面顯身手。

　　上面介紹的僅是空間科學與應用研究的部分領域。浩瀚的宇宙充滿了神奇的色彩和廣闊的空間，空間站為人類探索未知世界創造了獨特的條件，更為我們利用這些條件完善知識體系、拓展生存空間提供了寶貴的平臺。

空間站科學研究

科學大院

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