太空实验室：点亮梦想的“天宫”
本文转自：解放军报
太空实验室：点亮梦想的“天宫”
■吴馥桐 本报记者 程 雪
中国国家太空实验室内，航天员桂海潮和朱杨柱正在进行动量守恒实验。图片提供:中国载人航天工程办公室
今年，是中国首次载人飞行任务成功20周年。不久前，中国载人航天工程办公室传来喜讯：中国国家太空实验室已正式运行，空间应用正有序展开、成果频现。
水稻种子在太空中发芽、抽穗、长出新稻种，第一团火苗受控在中国空间站燃烧30秒……据公开报道，截至目前，中国空间站已经在轨实施110个空间科学研究与应用项目，部分项目取得了阶段性应用成果。
2022年底，中国空间站正式在轨建造完成，中国载人航天进入应用与发展阶段，空间实验和试验成为载人航天工程最重要的任务。
作为中国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台，建成后的中国空间站成为国家太空实验室，问天实验舱、梦天实验舱、天和核心舱部署的多个实验柜可开展上千项科学实验，惠及地球上普通人的生活。
那么，太空实验室里究竟能做哪些科学探索？又跟我们有着怎样的关联呢？此刻，让我们共同关注。
为什么要去遥远的太空做实验
2022年10月31日，海南文昌，梦天实验舱顺利发射升空。飞行8分钟后，梦天实验舱与运载火箭顺利分离，成功进入预定轨道。随后，梦天实验舱与天和核心舱完成对接，中国空间站由两舱变成三舱，形成了T字基本构型。至此，中国空间站在轨建造完成。这也标志着中国国家太空实验室正式建成。
与之前升空的问天实验舱不同，梦天实验舱没有睡眠区和卫生区，多出来的空间部署了更多的实验机柜，可以在轨开展多学科太空实验。
面对建成的国家太空实验室，很多人提出疑问：为什么要去遥远的太空做实验？在地球上做实验不行吗？
答案是显而易见的。太空中的很多环境优势，在地球上都无法模拟——
首先，跟地球上最大的不同是，太空实验室创造了长时间的微重力条件。
在地球上，生活中处处可见重力带来的影响：烧水时，水会沸腾，气泡会上浮；水和油的混合物，静置时会分层；植物发芽时，会向上生长，向下扎根；人长时间站立时，血液会因为重力作用涌向腿部，腿脚会浮肿……可以说，地球上的一切生命，包括动物、植物和微生物的生存、繁衍和进化，都是适应重力的结果。
相比地球，空间站上的重力只有地球表面的千分之一到万分之一。这为研究微重力条件下的各种自然现象创造了优越的实验条件，让一些被重力掩盖的实验现象得以显现。
其中一个比较典型的例子就是燃烧。在太空中，火苗呈现球形，火势也不会像在地球那样快速蔓延。这是因为太空中火焰周围被加热的空气，不再因为密度的不同而产生对流。
与此同时，太空实验室创造的长时间的微重力条件还会影响一些基础物理的实验条件，让科学家在更高的精度上开展实验，验证引力波、光速、时间等基础理论。这有助于开展探索宇宙起源、揭示物质本质和运动规律的基础性科学实验，以及面向空间生命科学、材料科学等一系列实验。
除了能提供长时间、稳定的微重力和辐射环境，太空中弱磁场的特点也是地球上难以模拟的。
太空中磁场弱，成分复杂、能量高低不同的宇宙射线和高能粒子带来了强烈的太空辐射，会损害航天器和电子设备的寿命，甚至会影响到航天器的安全运行。
但从另一方面来看，这也成为开展空间物理研究、高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件——
空间站舱外，是强烈的太阳紫外线和高能宇宙射线。真空中，由于太阳光照射和阴影遮挡，实验材料在高温和极低温的环境中快速冷热交替。氧气分子电离后产生的原子氧，对航天器的外层材料会产生显著侵蚀。
为了研究这些复合环境条件产生的综合效应，太空实验室配备了舱外暴露实验平台，配置了多个标准载荷接口或大型载荷的挂点，用于研究太空极端环境对材料、电子器件、生物体和组织器官的影响。
正是微重力、强辐射、剧烈温差变化等多种环境条件复合在一起，创造了地球实验室难以具备的实验条件。
“在这里我们可以开展流体物理、材料科学、燃烧科学等微重力物理科学的基础研究，同时还能探究在轨制造、新型能源推进等工程技术领域的前沿问题。”站在梦天实验舱的实验载荷区域，航天员桂海潮欣喜地说。
躬行践履始玉成，行而不辍终致远。选择在遥远的太空中建设实验室，是一件非做不可的事，这对人类摸索在太空环境下如何生存，以及向着更深更远的太空前进具有重要意义。
“太空抽屉”里装了啥
空间站里，摆放整齐的实验机柜，承载了一个个具体的太空实验项目。
别看这些实验柜看上去似乎一个样，但内部的科学实验系统差异很大。这些实验机柜身处微重力等特殊研究环境中，能够用于支持开展舱内的各项技术试验，针对制约我国航天长远发展的关键技术开展一系列研究，为未来我国航天技术发展和空间应用提供有力的技术支撑。
每个实验柜由多个大小不一的载荷单元组成，整体看上去，一个个载荷单元就仿佛一个个“太空抽屉”。每一个“太空抽屉”里，都承载着航天员的探索发现。
在中国空间站梦天实验舱的高温材料科学实验柜里，一个个细长的陶瓷管整齐地挂在里面。这些陶瓷管里，装的是不同材料做成的料棒。在太空，这些料棒会经历几十个小时甚至上百个小时的高温考验，锻炼成材。
“这些材料样品都是瞄准国家重大需求的。”空间站高温材料科学实验系统一名主任设计师介绍，这些实验样品在完成科学实验后，会随航天员回到地面。
此前返回地面的实验样品中，不少样品经过太空实验的制备后具备了优异的性能。
硒化铟半导体材料，是第一批在空间站里接受过高温考验制备的材料。据悉，这种半导体材料可以任意弯曲折叠，表现出非常优异的柔性性能，适用于制作晶体管材料。
今天，许多电子设备向可折叠、便携带方向发展，柔性半导体材料不仅市场急需，也是未来科技发展重要的基础材料。可以预测，如果硒化铟半导体材料能够具备大量生产制备的条件，那么它将具有广阔的应用前景。
在太空实验室里的另外一个实验机柜里，其中一个“太空抽屉”同样带来了令人惊喜的成果——斯特林热电转换技术完成在轨验证。
斯特林热电转换试验装置是一种外燃式发电机。通过外部加热，机器内部的氦气便会吸热膨胀，并在冷端收缩，将温差变成自己动力的源泉。
现阶段，中国空间站主要使用太阳能电池发电。但随着航天器距离太阳越来越远，太阳能电池组的效率明显下降，甚至不起作用。未来，如果人类的脚步踏入更远的星际空间，太阳的光照将微乎其微，太阳能发电就指望不上。
此时，基于斯特林热电转换技术研制的斯特林电源系统作为一种高效能源技术，具有高效率、结构简单、质量轻、启动快等优点，或将在未来成为人类探测深空一项必不可少的技术。
像这样的实验柜，太空实验室内还有很多。
据悉，早在2022年4月，中国就宣布空间站向联合国会员国开放。消息一经发出，很多国家纷纷递交申请书，希望能在这些实验柜里获得“一席之地”。目前，来自瑞士、波兰、德国、意大利等17个国家的9个科学实验项目被确定入选中国空间站。
一个小小的“太空抽屉”里，装进了人们对大千世界的探索和追问。有人曾说，研究一个实验柜，复杂程度不亚于研究一颗卫星。
这一个个科学实验柜，相当于把实验室搬进太空，在方寸之地满足生命科学、材料科学、基础物理等学科领域数百项科学研究与应用项目的研究需求。
宇宙那么大，人类应该去看看。我们期待着，从中国国家太空实验室传来更多新发现、新成果。
太空实验室成果服务于民、造福于民
太空很远，但太空实验室的科研应用成果，离普通人的生活并不遥远。
2022年12月，随神舟十四号飞船返回舱下行的中国空间站第三批空间科学实验样品交付空间应用系统，其中就包括中国人主要的粮食作物，也是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物——水稻种子。
区别于地面上的植物种植，在太空实验柜里，植物生长不依赖阳光，而是通过地面的科研人员调整人工光，遥控植物的生长环境。
此番，中国科学家首次完成了水稻“从种子到种子”120天全生命周期培养实验。这在国际上也是首次，有望促进地面新品种水稻株系培育和高产增收。
这些种子样品从太空中返回地球后，就被送到位于上海的中国科学院分子植物科学卓越创新中心。在这里的实验室，科研人员把从空间站收获的水稻种子放在地面的人工气候室进行繁殖，一部分种子已经繁殖到下一代，另一部分种子正在开展营养成分的分析。
观察这些种子，科研人员惊讶地发现：“在天上，水稻的淀粉变得比较粉质，里面的糖多一些，味道也更甜。而且，天上的种子形状跟地面的不一样，地面的大米有点扁，天上的大米长得更圆。”
通过研究，科研人员进一步发现，在空间微重力环境下，水稻叶片表面和稻壳表面的超微结构发生了明显的变化，这可能是水稻抵抗空间微重力下热湿环境的适应性反应。
科研人员表示：“将来人类要进行深空探测，比如我们‘驻月’‘登火’，都需要粮食生产，这就需要一代又一代的种子进行繁殖。未来我们还需要了解，在天上播种两代、三代或者更多代的种子能否稳定。”
从1987年我国首次将水稻、辣椒等农作物送上太空，开启太空育种的探索之旅直到现在，30多年来，我国已经先后30多次把植物的种子菌种试管苗等送上太空。这些种子和幼苗经历过太空严苛环境的锻炼之后，回到地面再经过培育和优选，产生了近千个植物新品种，惠及百姓的生活。
“造船为建站，建站为应用。”这是中国载人航天工程建设发展的初衷。这些年来，这一初衷从未改变。截至目前，中国载人航天工程自1992年立项实施以来，已有4000余项成果广泛应用于国家各行各业——
空间生命科学研究成果，已经有许多直接应用于生物材料、药物、医疗和农业技术。
微重力流体、燃烧和材料科学等方面的研究成果，为解决国家材料短板问题作出了贡献，有的成果已广泛应用于新能源汽车、智能终端设备的量产零部件中。
航天医学实验领域，开展了长期航天飞行条件下失重、辐射等复合因素对航天员健康、行为与能力的影响等原创性机理探索和应用基础研究，在人体心血管、骨骼等方面获得了航天医学新发现……
如今，更多关于太空奥秘的探索正在太空实验室里有序开展。与之相伴，未来将有更多从太空实验室里孵化的科技成果，转化为实实在在的应用，助力国家经济社会高质量发展，最大程度地惠及民生。
