問天實驗艙的科學實驗柜都有什么用

李忠東

2022 年7 月24 日14 時22 分，中國空間站問天實驗艙在海南文昌航天發射場發射升空，準確進入預定軌道。問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學實驗艙。

7 月25 日3 時13 分，問天實驗艙成功對接天和核心艙前向端口，整個交會對接過程歷時約13 小時。這是我國空間站第一次在有人的狀態下進行的交會對接。7 月25 日10 時03 分，“神舟十四號”航天員乘組成功開啟問天實驗艙艙門，順利進入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學實驗艙。

刷新紀錄振奮人心

與天和核心艙相比，問天實驗艙更重、更大。它全長17.9 米，最大直徑4.2 米，發射質量23 噸，無論是長度還是質量，都創下了單體載人航天器的歷史紀錄。

問天實驗艙是中國空間站的重要組成部分，同時也是保證空間站正常運行最重要的能源供應者，具備更強的超萬瓦級的供電能力、千兆級的信息傳輸能力。它由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，配置了3個睡眠區、1 個衛生區、廚房等設施，主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展較大規模的密封艙內、艙外空間科學實驗。它可以與天和核心艙一起，支持兩艘載人飛船輪換期間6 名航天員的生活保障。

空間站建成后，問天實驗艙的氣閘艙將作為航天員進行艙外作業的主要出艙口。與此同時，作為天和核心艙的備份，問天實驗艙還具備對空間站組合體的管理和控制功能。也就是說，在核心艙平臺功能出現故障的情況下，它可以接管對空間站組合體的操作，進而從整體上提高了空間站的可靠性。

作為航天員未來在空間站內進行空間生命科學研究的主要基地，問天實驗艙的工作艙也更為寬敞，首次采用國際先進的科學實驗柜來建造大型實驗設施。這些實驗柜基本構型一樣，高1.8 米，寬1.1 米，深0.9 米，對外接口統一。每臺實驗柜都是一個小型的太空實驗室，能通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，或者提供變重力模擬，開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究，幫助航天員開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、發育、遺傳、衰老等響應機理研究。

建立太空生態系統

問天實驗艙要進行的太空生命科學實驗包括10 多個研究主題，非常值得期待。其中生命生態實驗柜和生物技術實驗柜由中國科學院上海技術物理研究所研制，十分引人注目。

生命生態實驗柜由多個通用生物培養模塊、小型受控生命生態實驗模塊、微生物監測模塊和一臺離心機組成，支持在微重力和空間輻射環境下開展如生物個體（植物、小型動物等）效應、空間輻射學、生命生態支持系統基礎、生命起源機理等主題的研究。特別是針對小型生物在太空中的生長發育，開展物質、能量閉環循環研究，為未來建立地外基地生態系統收集數據，提供理論基礎。這也是我國首次嘗試在太空建立封閉生態系統。

生命生態實驗柜還給擬南芥和斑馬魚留了“座位”。通過實驗，有望揭示微重力對生物個體生長、發育、代謝的影響，促進人類對生命現象本質的理解，為航天員在軌輻射損傷評估、防護提供科學依據。

生命生態實驗柜最大的亮點就是“通用”。要探究這些“微觀”世界，少不了顯微鏡。一個“藏”在柜子里集普通光學、熒光、激光共聚焦的三鏡合一顯微鏡，正是該實驗柜得以“通用”的奧秘所在。這個顯微鏡還能實現自動尋的拍攝，減少航天員的手動聚焦，實現天地協同工作。

在生命生態實驗中，科學家將搭建一個由藻類、水草和斑馬魚組成的極簡版小型水生生態系統，形成物質、能量的閉環循環。這個小魚缸內外布滿了各種特制的傳感器，科學家將由此摸索相關生態參數，為未來深空探測、月球及火星基地建立生態循環系統提供數據支持。實驗柜可根據地面指令自動供氧、供水，并與其他實驗柜開展協同實驗，在“服役”期間不斷升級，可謂功能強大。

“細胞公寓”神秘奇特

生物技術實驗柜主要由細胞組織培養模塊、蛋白質結晶模塊、專用實驗裝置等模塊組成，可同時支持72 個實驗單元、36 種實驗。它就像是一棟“細胞公寓”，擁有幾十間“精裝修”的實驗單元，可完成從蛋白質、細胞到組織、器官的多種實驗。人類無法到幾十億年前去追溯生命種子產生的“地外起源”環境，但微重力、強輻射的空間站環境可以為人類提供一個類似原始地球的環境。

研究團隊在“細胞公寓”中精心安排了“酒店式服務”，對每個“房間”進行環境保障、精細觀察、場景檢測等操作。由于目前我國空間站上的實驗需依靠航天員進行操作，起到穿針引線的作用，所以在專業的生物學家進駐空間站之前，對于裝置的安全性要求更高，操作性的設計也要求簡便。

生物技術實驗柜自動、可控、可更換，航天員只需要在實驗前放入樣品，在實驗結束后取出樣品，在軌勞動強度大大降低。為了能精細觀察“細胞公寓”中的“住戶”，科研人員特地將地面實驗室中體積較大的一些顯微鏡設計成“迷你版”復合型顯微鏡，裝入實驗柜中。單元操作簡便但是可靠，里邊主要是儲存多種液體，還有不同的泵組和光源。航天員只要為這些顯微鏡更換鏡頭和濾鏡，它們就能自動巡檢、對焦，找到細胞位置，并記錄下一個個珍貴而關鍵的實驗瞬間，其技術指標與國際空間站的商用設備相當，但功能更強大，耗能也更少。

其他裝置也很給力

除了生命生態實驗柜和生物技術實驗柜，問天實驗艙還攜帶了哪些實驗柜呢？

科學實驗往往需要進行對照比較，因此需要在同一空間環境中模擬不同重力，以對其重力效應和響應機制進行研究。為了模擬不同的重力，問天實驗艙還攜帶了中國科學院空間應用工程與技術中心研究的變重力科學實驗柜。變重力科學實驗柜主要由兩個離心機、監控系統、照明系統和定子控制器等組成。它可以通過改變內置離心機轉速，持續、穩定地提供0.01g～2g（零重力到兩倍重力范圍）的高精度模擬重力環境，支持開展模擬月球重力、火星重力下的科學研究，支持開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究。

與地面實驗室一樣，密閉潔凈的操作空間在太空科學實驗中也必不可少，超凈工作臺是最常見的設備之一。中國科學院沈陽自動化研究所研發的科學手套箱輕巧、寬敞、結實，配置靈巧的機械臂，支持各類科學實驗樣品的隔離密閉和精細操作。它不僅光照可編程控制、風速可調節，其溫度控制更可精確到0.5℃，濕度精度達4%，顯微操作精度不超過5 微米。有了科學手套箱的幫助，航天員能輕松地開展精細操作或重復操作各種復雜的科學實驗，如基因注射、細胞核提取、染色體切割等。操作完成后，機械臂還會自動把科學手套箱打掃干凈。考慮到實驗艙將在軌運行多年，為了適應將來在軌科學實驗不斷升級的需求，科學手套箱還配置了多類可擴展的標準接口，為日后更新提供強大支撐。

低溫存儲裝置由中國電子科技集團公司第十六研究所等研發，是我國首臺“ 太空冰箱”， 集成了3 個冷凍冷藏區，既可以對樣品進行4℃保鮮，也可進行-20℃、-80℃冷凍，滿足樣品的不同低溫存儲要求。由于低溫存儲裝置與科學手套箱疊放在一起，為了使兩臺設備運行時互不干擾，科研人員進行了大量測試與優化，解決了震動、噪聲、釋氣等一系列問題，使它們能夠“珠聯璧合”。

在問天實驗艙的氣閘艙和資源艙外，配置了多個暴露應用載荷接口，具有較強的艙外應用載荷支持能力。所謂“暴露”，指的是直接暴露于太空環境。空間環境監測、對地觀測等領域的一些科學實驗載荷，以及衛星平臺等航天器新技術領域的試驗載荷，需要在艙外環境中實施開展。這些載荷可以通過標準適配接口，安裝在暴露實驗平臺上。

此外，問天實驗艙還在艙外部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，用于獲取空間質子、電子、中子、重離子和等離子體等環境要素數據。

“問天”之后還有亮點

今年，我國還將發射夢天實驗艙，主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理等多學科方向的實驗柜。同時，在“天宮二號”空間冷原子鐘的基礎上，將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構成在太空中頻率穩定度和準確度最高的時間頻率系統，開展引力紅移、精細結構常數測量等前沿科學研究。

為了把星辰大海看得更廣、更深、更清晰，我國還計劃在2023 年發射首個大型空間巡天望遠鏡，它將與中國空間站共軌飛行，成為中國的“深空之眼”，為我們帶來全景式宇宙高清圖。它擁有2 米口徑，成像質量與哈勃望遠鏡相當，但視場變大了300 倍，能巡視42% 的天區面積，還可以“緊盯”一個方向進行多色極深度成像觀測。

中國不是有“天眼”FAST 嗎，為啥還要發射巡天望遠鏡？那是因為這兩種望遠鏡的性質是不一樣的。“天眼”FAST屬于世界上最大的單口徑射電望遠鏡，它的“大鍋”主要接收宇宙中的無線電波，從而研究宇宙當中的致密天體，如脈沖星以及無線電波段的天體，這些天體在可見光波段是看不見的。而巡天望遠鏡屬于光學望遠鏡，它將幫助天文學家觀測超過10億個星系。