中國空間站艙外暴露實驗，收獲了哪些成果？

文/航星

2023 年10 月31 日，神舟十六號載人飛船返回艙成功著陸，隨同帶回了中國空間站第五批實驗樣品，包括19 項科學實驗項目共22 種樣品。在這些樣品中，有一些是在艙外環境中完成太空實驗的，有望利用特殊的太空環境，收獲更大價值的科研和應用成果。

▲ 中國空間站開展艙外暴露實驗

▲ 在航天員協助下開展艙外輻射生物學暴露實驗

艙外暴露實驗有講究

簡單地說，艙外暴露實驗是將實驗材料暴露于航天器艙外的太空環境中，利用復雜多樣的太空環境因素，引發實驗材料一系列微妙變化。航天員和地面團隊需在實驗過程中充分收集數據，分析樣本變化機理，解析背后規律。

之所以要開展艙外暴露實驗，是因為對于某些“極端”實驗目標來說，空間站和飛船艙內的微重力環境已不能完全滿足要求了，有必要在更接近真空、高輻射的條件下開展特殊的太空實驗。

比如，在科學家眼中，更高的真空度、更強的宇宙輻射、更危險的宇宙碎片、更極端的溫度變化等都是地面上不可多得的實驗條件。此外，近地軌道上存在各種復雜物質，從直徑僅有數微米的微流星體，到大氣層邊緣產生的原子氧，再到難以估量的有害輻射等，都為實驗材料的特性變化提供了前提條件。

由于太空環境復雜惡劣，受限于航天員出艙任務間隔和艙外活動時長，參與艙外暴露實驗的設備和材料需要具備相對獨立運作的條件和更出色的可靠性，不必依賴航天員經常出艙照看。

▲ 艙外暴露實驗樣品盒與下行包裹

▲ 科研人員分析從太空返回地面的線蟲

為此，科研人員設計了在軌監測系統，能夠將生物樣品生長發育狀況和材料變化情況等實時傳回地面。對于在軌實驗進程的控制以及拍照錄像、下達指令等工作，科研人員普遍都能在地面進行操作，與航天員配合，根據預先設定的科學流程來開展實驗。

此外，神舟十六號載人飛船返回艙搭載的樣品盒性能得到了成功驗證。樣品盒安全通過了太空運輸系統上/下行階段的劇烈振動、溫度劇變等考驗，可以保證生物樣品處于5～20 攝氏度、0.8～1 個大氣壓的適宜環境范圍內，還能在軌進行更精確地控制，使搭載環境對地球生物更加“友好”，有助于未來在軌進行更多艙外暴露生物學實驗。

生物學實驗成果喜人

艙外暴露實驗主要包括生物學實驗和材料兩大類。中國空間站夢天實驗艙艙外的生物學暴露實驗裝置包含生物培養、輻射測量、在線觀測等多個子系統，可用于開展空間粒子輻射、微重力等環境要素對不同物種產生的生物學效應機制的研究。裝置內設計了13 個裝載生物材料樣品的實驗單元，可適用于植物種子、微生物孢子、休眠的小型動物等生物樣品的長期暴露實驗，為各類樣品提供了所需的溫度和氣體環境，持續監測樣品和樣品環境狀態，并測量空間輻射和陽光紫外數據等。

在此次返回地面的實驗樣品中，生物學（生命科學）實驗樣品主要包括人體的肝細胞和內皮細胞、擬南芥幼苗、線蟲、生物大分子樣本等，總重25 千克左右。部分樣品陸續公開，包括線蟲、微生物和植物種子等。

其中，線蟲樣品盒內含有野生型和10 多個不同突變株的秀麗隱桿線蟲。這種線蟲最大的僅能長到1 毫米，因個體小、生活周期短、后代數量多、易于空間搭載培養、便于進行遺傳操作等優點，被認為是空間生命科學研究中的重要模式生物，可以用來探索太空環境對機體生長、發育、生殖、運動、衰老等方面的影響與作用機制。樣品證實，中國空間站在世界上首次實現了在軌觀測不同線蟲個體全生命周期在空間的生長、發育以及組織器官、分子標志物的變化。

▲生物學暴露實驗樣本出艙

這批樣品在軌暴露長達5個半月，被送回地面之后，研究團隊的首要工作是觀察其處于怎樣的狀態，能否存活，并根據各個科學目標去分析樣品，希望進行空間輻射損傷評估與預警，并研發新型抗輻射藥物，幫助降低空間輻射損傷惡果及健康風險等。

成果是令人鼓舞的，科研人員發現，在秀麗隱桿線蟲體內出現了明顯的DNA 損傷及相關分子變化。接下來，科研人員在此基礎上篩選出一種抗輻射藥物，嘗試使用后，發現秀麗隱桿線蟲的壽命和生殖狀況有所改變，損傷效應也出現了一些緩解跡象。

科研團隊后續將對這些樣品進行生物學檢測分析，通過與地面樣品對比，希望進一步認識重力變化對細胞生命活動的作用規律，發展基于生物力學的空間細胞-組織動態培養新實驗技術；探究重力效應對密碼子起源的影響，為生命的化學起源理論體系提供重要的科學依據；解析長周期輻射對線蟲休眠體的影響，尤其是遺傳系統的損傷，分析空間輻射損傷的品質因子，構建空間輻射損傷評估模型，為輻射防護等提供指導。

更進一步，利用空間站暴露平臺開展生物學實驗，將為人體生物體輻射損傷、遺傳變異、輻射防護藥品制備以及輻射風險生物學評估提供技術支撐，對中國航天員在軌長期生存、載人登月等具有重要意義，還有望促進核醫學、放射醫學等研究進展。

材料實驗意義重大

在暴露的太空環境中，微流星體、原子氧和各種宇宙射線對金屬、塑料等材料有著異常強勁的腐蝕變質作用，會導致材料發生復雜的物理與化學變化，進而喪失固有特性。利用相關原理，科研人員通過將一批材料放置在艙外暴露平臺上，充分經受太空特殊環境考驗后，回收檢測并研究材料的最終狀態，有望判斷材料的耐腐蝕性能，定向擇優發展，合成性能更出色的新材料。

中國空間站材料艙外暴露實驗分為艙外靜態實驗、動態摩擦學實驗和原位觀測實驗。在艙外靜態實驗中，自2023 年3 月起，航天員配合地面先后在軌完成了組裝、自檢、機械臂轉運到位等材料艙外暴露實驗的準備工作后，百余種靜態材料樣品在軌暴露實驗正式開始。在動態摩擦學實驗中，科研人員通過對比測試，進一步觀察固體潤滑、液體凝膠等材料樣品對軸承的影響。在原位觀測實驗中，科研人員對暴露在太空環境中的各種材料就地觀測，并對一些材料樣品進行了多次在軌拍照和數據分析。

▲ 中國空間站艙外暴露實驗平臺特寫

神舟十六號載人飛船返回艙也搭載了若干材料科學實驗樣品?？蒲腥藛T會對它們進行空間樣品、地面樣品組織及成分分布差異等對比測試分析，希望揭示微重力對材料的物理化學性質、相變過程規律、合成制備等影響機理，進而推動材料加工工藝的改進與優化，有望為核電密封、高壓開關觸頭、磁制冷及高性能電子封裝等領域材料以及下一代航天發動機、飛機起落架等關鍵材料制造提供理論和技術支撐。

此外，中國空間站內的高溫材料實驗柜和無容器實驗柜實驗系統同樣為材料實驗做出了巨大貢獻。相關樣品主要是高溫合金類材料，有望為豐富材料凝固理論和指導材料設計提供科學依據。