太空科學課（十七）

太空熊貓君

2022 年對于我國的航天事業尤其是載人航天工程來說，可謂意義重大。1992 年9 月21 日，我國政府決策實施載人航天工程，代號“921”工程，并確立了“三步走”的發展戰略。中國航天從零起步，穩扎穩打，從無人飛行到載人飛行，從一人一天到多人多天，從艙內實驗到出艙活動，從單船飛行到組合體穩定運行……30 年來，中國載人航天事業在一代代航天人的努力下，取得了無數震撼世界的偉大成就。2022 年底，中國空間站的全面建成，標志著“三步走”戰略任務正式完成。

2022 年6 月5 日，搭載神舟十四號載人飛船的長征二號F 遙十四運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射，航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲進駐中國空間站核心艙；7 月24 日下午，長征五號B 遙三運載火箭托舉著問天實驗艙一飛沖天，并成功與核心艙組合體完成交會對接；7 月25 日，神舟十四號航天員乘組進入問天實驗艙；10 月12 日下午，神舟十四號乘組在問天實驗艙內為廣大青少年開展了一次太空授課，這也是航天員在中國空間站內的第三次太空授課。

本次太空授課依然采用了天地互動的形式，3 名航天員為我們展示了中國空間站問天實驗艙的內部場景，開展了許多全新的太空實驗，與地面課堂的同學們進行了互動交流。本次太空授課的地面主課堂設置在中國載人航天工程有效載荷運行管理中心，地面分課堂設置在山東、河南和云南，而太空授課的“教室”，則是中國空間站的新艙段——

問天實驗艙是中國空間站的第二個艙段，也是第一個科學實驗艙。它由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，主要用于支持航天員的駐留、出艙活動和進行空間科學實驗。值得一提的是，問天實驗艙也是天和核心艙的備份艙，可以像核心艙一樣，對中國空間站組合體進行統一的管理和控制。

問天實驗艙的科學研究主要面向生命科學領域，里面配置了有關生命生態、生物技術和變重力科學等方面的實驗柜，支持開展植物、動物、微生物等多種類生物從分子、細胞到組織、器官的多層次研究。

“天宮課堂”第三課開課啦！航天員們為我們緩緩地揭開了問天實驗艙的神秘面紗。 陳冬首先為我們介紹了問天實驗艙的睡眠區。沒錯，問天實驗艙里也設有睡眠區。一方面，問天實驗艙作為天和核心艙的備份，需要保障航天員包括睡眠休息在內的生存生活需求；另一方面，從本次神舟十四號載人航天任務開始，航天員們要進行在軌輪換，也就是說，為了保證空間站內時刻都有人駐留，下一組航天員進入中國空間站之后，上一組航天員才會返回地面，空間站也自然需要滿足6 個人的睡眠需求。

有趣的是，問天實驗艙的睡眠區方向與核心艙的不同。之前介紹過，天和核心艙的睡眠區是橫向的，和我們在地面上休息睡覺的床鋪沒有什么不同，而問天實驗艙的睡眠區卻是豎直的。難道航天員還可以站著睡覺嗎？還真的是可以呢！由于空間站里的重力作用極其微弱，我們在感覺上并不會有上方和下方的區別，航天員們橫躺著睡覺還是豎直地睡覺也并不會感到有什么區別。問天實驗艙的生活區同樣配備了太空廚房設備，包括熱風加熱裝置、飲水機等。 接下來，航天員為我們逐一介紹了問天實驗艙內的科學實驗柜：

第一個出場的是，它可以滿足航天員對樣本采集與存儲的需求。航天員也可以通過其中的設備給細胞“做手術”。

第二個出場的是，這個實驗柜主要以生命個體為實驗對象，由一個個獨立的實驗模塊構成，就像是一個個不同的小實驗室，用來研究不同的實驗對象。在這兩個實驗柜的中央，還安置了一個，用來測量艙內的輻射水平。

隨著鏡頭的移動，我們看到了。這個實驗柜配備了各種先進的細胞培養和檢測儀器，主要用來研究細胞、組織和蛋白質等生物樣本。還記得之前葉光富為我們介紹的天和核心艙里的細胞學研究嗎？這個實驗柜可以幫助航天員更加深入地研究微觀世界。

第四個實驗柜是，它的內部由兩個轉子組成，每個轉子上面又裝載了標準的實驗模塊，轉子通過旋轉產生離心力，為科學實驗提供0～2倍地球重力的高精度重力模擬環境，用來開展生命科學、流體、燃燒等領域的科學實驗。

一名地面課堂的同學對變重力實驗柜很感興趣，他提問道：“為什么我們要在空間站里開展流體研究呢？”陳冬和劉洋對這個問題做了非常詳細的解答。

流體，可以簡單理解為沒有固定的形狀、會發生流動的物體。液體和氣體都屬于流體。在微重力環境下，流體表現出來的性質與在地面時有很大的不同。最常見的流體就是水和空氣了。在之前的太空授課中，航天員們為我們展示了水在太空中的神奇特性。我國的運載火箭使用的是液體燃料，它在微重力環境下展現出的性質與在地面上的顯著不同，地面上的結論自然也不能拿到太空中直接套用，有必要專門開展研究。

為了更好地回答這個問題，陳冬帶領地面課堂的同學們做了一個實驗，通過對比來展現流體現象的天地差異。這是一個經典的毛細效應實驗：先準備3根粗細不同的塑料管和1個盛滿水的培養皿，然后將塑料管立在培養皿中。你會發現培養皿內的水會沿著塑料管上升，這就是毛細效應。在地面課堂同學們做的實驗中，我們可以清楚地看到，塑料管內的水面上升了，并且越細的塑料管里水面上升得就越快、越高。而在陳冬展示的實驗中，水面不僅會上升，水甚至還會從塑料管的頂端溢出來！

這是為什么呢？我們先來了解一下毛細現象。之前講過，液體存在著一種貼合物體表面的附著力，液體分子之間的內聚力會產生表面張力，在這兩種力的綜合作用下，液體會呈現出流向細管或者細縫的現象，并且縫隙越細，這個現象就越明顯。正是由于這個作用，吸管中的水面才會有所上升。像我們生活中見到的干毛巾吸水、用毛筆蘸取墨汁來寫字、蠟燭內的蠟油沿著棉線上升等，都是利用了液體的毛細現象。只不過，由于地面上存在重力，毛細作用無法克服重力，水面上升到一定程度就會停止。而在重力極其微弱的太空中，毛細作用將會“無所畏懼”，直到水面沖出管口，水就溢出來啦！