中國空間站邀你來做實驗

文/ 張偉

自從中國公布空間站建設計劃以來，“我們去空間站干什么”就一直是大眾關心的問題。不久前，來自17個國家的9個項目成為中國空間站科學實驗首批國際合作項目?，F在，中國空間站面向國內公開征集空間科學實驗和技術試驗項目活動也已經開始正式申報。

那么，中國空間站究竟能提供哪些實驗條件，又有哪些項目有望入選呢？為此，中科院空間應用中心應用發展中心主任張偉回應了各界的關切。

問：能否簡要介紹下中國空間站的建造計劃和運行計劃？

答：我國預計在2020年發射核心艙，2022年左右發射實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，然后把三個艙進行組合，形成一個T字形構型，構成了一個完整的空間站?？臻g站從2022年之后開始運行，預計在軌10年以上，在這10年當中可以支持大量的科學研究和實驗。

問：我們都知道太空的環境非常復雜，我們為什么要去太空中做實驗？

答：利用載人航天開展科學實驗有很多優點。

第一，可以提供長期的微重力實驗條件。微重力下有很多物質的規律會發生變化，比如由重力引起的浮力對流就基本消失了，所以燃燒特性就發生了變化，它只是一種擴散的燃燒。流體、材料也有很多變化，所以利用微重力條件能揭示重力掩蓋下的物質的特殊規律。

第二，航天員可以在軌進行實驗操作、更換實驗設施和實驗設備，可以長期開展實驗。

第三，在一定的軌道高度上，我們方便開展天文觀測和地球觀測。在空間進行觀測，天文望遠鏡不受大氣的干擾。同時空間站大約1.5個小時就能繞地球一圈，大概每三天就可以把地球大部分陸地都覆蓋了，可以對地球進行快速掃描和觀測。

第四，可以通過天地往返將實驗樣品帶回地面，在地面上對樣品進行長期研究，取得新的發現。比如說“天宮二號”，我們就把培養的植物樣品和材料科學的樣品拿回來了。

問：人類在太空中做實驗已經有一段時間了，有沒有什么樣的實驗對我們的生活產生了一些影響？或者對科研帶來很大的促進作用？

答：比如歐洲牽頭開展了在太空中飼養小鼠的研究，為期半年，通過在軌觀測來研究小鼠在太空微重力條件下的特征，并與地面研究結果進行對比，看在太空生活對生命體的細胞、神經系統乃至整個生命體究竟有什么影響，為人類太空探測打下基礎。

還有燃燒冷焰。在國際空間站上開展了微重力燃燒實驗，科學家發現了“冷焰”這種特殊的現象，火焰熄滅以后物質仍然在燃燒，也就是說在非常低的溫度條件下它還在燃燒。利用這種現象可以提高發動機的燃燒效率，特別是柴油發動機，讓發動機的污染排放量更小，對今后發動機的設計改進具有很大指導作用。咱們“天宮二號”上也做過類似的實驗。但是要想發現它的本質規律，還需要大量實驗。

問：能為我們介紹下中國空間站的實驗條件嗎？

答：我們的空間站是一個先進的太空實驗室，能夠滿足多方面的實驗需求：

一方面，實驗艙內有大量的科學實驗柜，支持各個方向的艙內科學實驗，包括生命科學、流體科學、材料科學、基礎物理等等。

比如說，在基礎物理方面，我們安排了一個超冷原子實驗柜，研究溫度在絕對零度附近的超冷原子氣體的一些特殊的物理規律。另外我們還有一個高精度時頻系統，就是冷原子鐘。我們知道“天宮二號”上面有一個冷原子鐘，它的精度大概3000萬年誤差一秒，而在空間站上面，原子鐘是由三個鐘組成的原子鐘組，精度大概30億年誤差小于一秒，可以給導航等提供基準的頻率和時間信息。

另一方面，在艙外有一些標準載荷的適配器，還有一些掛大型載荷的掛點。在艙外可以進行天文觀測、地球觀測，空間物理等方面的研究。整個實驗條件是非常豐富的。

此外，通過航天員還可以對實驗條件進行升級或者更換，可以開展更多方面的實驗。

問：這些實驗柜研制的難度大嗎？

答：實驗柜研制起來還是非常有難度的，主要有幾個方面的難度：

第一，確?？煽啃院桶踩浴Ｋ械膶嶒炘O施不能對航天員的生活造成影響，不能有危險性的因素。比如，燃燒實驗，不能造成火災，否則就非常危險，非常嚴重了。所以我們所有的實驗都要控制得非常好。

第二，控制手段與地面不同?？臻g站上的實驗大部分都是自主完成的，包括樣品輸送，樣品分析等實驗過程都需要在線控制，還有很多觀測設備的定時定點觀測也需要控制，必須開發與地面不同的控制手段，有一些非常難。

我們舉個例子，比如要在太空養小老鼠，需要給它提供氧氣、水和食物，但是在太空里它是漂浮的，怎樣的設計讓它能夠吃到食物喝到水？小鼠還要產生大量的糞便尿液，需要把這些廢物定點排出來。在一個小空間里，長期（至少半年）解決這些問題是非常困難的一件事。

問：除了動物實驗，其他實驗也很難嗎？

答：也是很難的。比如要在太空加工一個20厘米長的樣品，必須把樣品自動放入實驗柜加工，加工完以后還要自動退出來。我們必須設計一個獨特的進樣裝置，像左輪手槍一樣，樣品就像子彈，一種樣品放進去，加工完以后“彈倉”就轉一下方向，把加工好的樣品像退“彈殼”一樣退出，再放進下一個樣品。

樣品加工的時候，需要大量激光器來加熱到1000多度甚至3000度，在這個過程中封裝好的樣品需要融化，但是封裝的外殼不能融化，這也需要特殊的材料和設計。整個實驗過程的控制，包括過程的分析和過程的觀測，也都需要自主完成，難度很大。

問：能夠提供這么好的實驗條件，這次科研項目征集的面向對象主要有哪些？

答：這次面向的對象是國內的科學家。提交項目包括十幾個研究方向，比如說空間生命科學，包括動物、植物、微生物、細胞等各方面研究；流體科學，包括微重力流體下的一些特殊規律研究；空間材料科學，就是在太空中制備一些新材料，或者是研究一些材料的凝固等特性；基礎物理、超冷原子物理的研究，我們有一些實驗柜專門提供到絕對零度附近的條件，來研究超冷狀態下原子的一些規律。艙外有一個大型設施，多功能光學設施，可進行宇宙的觀測，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞、暗物質等等。還包括地球觀測及應用新技術。

問：對于想提交項目的科學家，您有哪些建議？到底什么樣的項目更容易入選？

答：大家需要關注以下三個方面：

首先必須滿足和空間的相關性。這個實驗和空間密切相關，需要利用到微重力條件或者是太空輻射等特殊條件。

第二個條件是創新性和先進性比較突出。項目必須有足夠的創新，比如國際上沒有做過的，或者是國際上做過但沒有做好的，或者是原創性的新的東西，這樣的項目優先送上天。

▲超冷原子物理實驗柜

▲生命生態實驗柜

▲高精度時頻實驗柜

▲燃燒科學實驗柜

第三個條件在于可實現性。這個項目在技術上是不是成熟，是否能夠在空間完成？我們現有的裝置和實驗柜是不是能夠滿足實驗的要求？如果不滿足，需要研制一個新的實驗裝置，能否實現？這也是要關注的一個方面。

問：之前聯合國外空司也面向國際開展了實驗項目征集，跟這次面向國內的征集有什么不一樣嗎？

答：首先，面向國際征集是為了擴大中國空間站的國際影響，讓國際社會關注中國空間站，利用我們的空間站開展實驗，為人類造福。面向國內的征集主要是希望中國的科學家能把空間站建設成國家太空實驗室，取得重大的、突破性的成果，希望科研院所、高校、科技企業等都能夠參加，提升整個國家的科學研究水平。

問：空間站建成以后，這些實驗項目上線以后，對中國未來的科學研究有什么意義？

答：以前我們在空間的實驗機會非常有限，雖然在神舟飛船、天宮二號空間實驗室上面開展了實驗，但是能夠開展的項目數量還是有限的。如果有了空間站這個平臺，我們可以滾動實施幾百項甚至上千項科學實驗。通過這些實驗，我們可以大大提升我國空間科學領域的研究水平。這些年我們的空間技術獲得了很大的發展，但是空間科學發展還是比較慢的，所以我們希望通過這些研究來提升我國空間科學的水平。

另外，我們通過相關研究，可以掌握人在太空長期生存時的一些特殊規律，包括物理的和生命的規律，為人類今后在太空長期生存奠定基礎。同時我們開展大量的深空技術驗證，包括太空3D打印、太空激光通信，通過這些技術的驗證，讓人類走得更遠，走向火星甚至更遠的深空。

問：這些實驗項目上天之后由誰來操作完成？

答：這些實驗操作大部分是由實驗裝置通過自動化的控制自主完成的，也可以通過地面的運行控制中心遙控控制實驗的操作，包括參數調整或者設置。同時，在軌的航天員會幫助我們開展實驗，比如說更換批次樣品，比如說生命科學實驗中的精細的操作，包括進行在軌的觀察?，F在有新的一類航天員，就是載荷專家，他們是專門去太空開展科學實驗的專家，在短期內就把相關的實驗批量完成。他們的專業背景能夠提升我們空間站的實驗效率。

▲天舟一號與天宮二號準備對接

問：這次的申報準備時間大概有多長，這個時間對大家來說夠不夠？

答：今年4月23日航天日之前，載人航天辦公室就發布了項目征集公告，8月底結束申報，差不多有4個月的準備時間。

另外，考慮到科學家可能有很多創新的想法，但是未必對空間站有很多了解，所以我們做了一個空間站資源手冊給大家提供指導，介紹空間站上的實驗資源和實驗條件。大家看了這個手冊就會對整個空間站的實驗條件有深入的了解，然后填寫項目建議書。

目前我們要求項目建議書小于2萬字，希望大家在比較少的篇幅內說明要做的實驗、需要的資源、以及實驗的創新性和先進性。

問：對比國際空間站，中國空間站的實驗條件怎么樣？

答：我們實驗柜的設計和實驗的參數都提升了，比如擴展空間站材料實驗柜的加工溫度，國際空間站達到2000多度，我們可以達到3000度。我們能夠開展的實驗也會更加豐富，可以同時進行幾十種實驗。

問：如果我是一個高中生或者大學生，也有機會申報這個項目嗎？

答：也有機會。空間站資源手冊也寫明了，空間站同時也征集科普項目，大學生、高中生如果有好的想法，也可能在太空中來實現，比如說香港中學生提出的養蠶的項目在天宮二號空間實驗室上就實現了，所以大學生、中學生也可以提出創新的想法。

問：如果我的項目被選中，我有機會去太空做實驗嗎？

答：是的，科學家也是有機會上天的，如果身體過關的話，科學家可以參加載荷專家選拔，有希望去太空操作自己的實驗。

問：這次咱們征集的項目大約是多少個？

答：因為空間站要在軌10年以上，可以開展上千個項目，所以對征集數量沒有限制，我們希望項目越多越好。

問：錯過這次申請的科學家還有機會嗎？

答：還有，我們大概每兩三年就會再征集一輪。

本文選自“科學大院”公眾號（ID：kexuedayuan）