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    天舟-1空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)

    2017-06-12 12:06:12張偉中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心
    國際太空 2017年5期
    關(guān)鍵詞:天舟成骨細(xì)胞空間站

    張偉 (中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心)

    天舟-1空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)

    TZ-1 Space Science and Application Mission

    張偉 (中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心)

    2017年4月20日,我國第一艘貨運(yùn)飛船—天舟-1成功發(fā)射。天舟-1主要在軌完成兩大任務(wù):一是考核貨運(yùn)飛船的功能,并開展在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,為未來的載人空間站建造奠定基礎(chǔ);二是開展空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn),主要包括4項(xiàng)應(yīng)用任務(wù),包括微重力對細(xì)胞增殖和分化的影響研究、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究、非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。

    天舟-1任務(wù)空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目

    1 微重力對細(xì)胞增殖和分化影響研究

    本研究項(xiàng)目包括8個研究課題,重點(diǎn)研究微重力環(huán)境對干細(xì)胞增殖分化、生殖細(xì)胞分化及骨組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的影響,檢驗(yàn)微重力環(huán)境下抗骨質(zhì)疏松藥物3-羥基丁酸對成骨細(xì)胞增殖的影響以及CKIP-1基因?qū)Τ晒羌?xì)胞分化的影響。

    干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞,在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞,具有再生各種組織器官和人體的潛在功能,干細(xì)胞生物學(xué)是21世紀(jì)備受矚目的研究領(lǐng)域之一。近幾年,美國航空航天局(NASA)將空間干細(xì)胞培養(yǎng)作為重點(diǎn)研究課題,2015年研究人員公布了空間干細(xì)胞生長和組織再生方面的成果。其研究結(jié)果表明,太空微重力環(huán)境影響了小鼠擬胚體在太空的分化能力,抑制了譜系分化基因的表達(dá)。中國科學(xué)院動物研究所段恩奎研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在天舟-1上搭載了小鼠胚胎干細(xì)胞、小鼠擬胚體,通過普通光和熒光顯微成像技術(shù),觀察干細(xì)胞在太空中增殖和分化過程。地面同時開展比對實(shí)驗(yàn),通過天地比對,初步了解空間微重力環(huán)境影響干細(xì)胞增殖和分化的情況。這將為多能干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探索新途徑,為未來利用多能干細(xì)胞服務(wù)于人類健康提供幫助。

    清華大學(xué)紀(jì)家葵團(tuán)隊(duì)在天舟-1上開展了人生殖細(xì)胞的分化過程研究,這是國際上首次在空間微重力環(huán)境下誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向生殖細(xì)胞分化,其采用一個“知情同意見證”的胚胎干細(xì)胞系,不需要犧牲任何新的胚胎,不存在倫理道德爭議。這項(xiàng)研究目的是闡明太空微重力環(huán)境下生殖細(xì)胞發(fā)育與成熟的基本規(guī)律,探索胚胎干細(xì)胞分化的分子機(jī)制,從而為克服空間環(huán)境對人類生殖可能帶來的影響提供理論依據(jù)和技術(shù)支持,并為胚胎干細(xì)胞分化研究提供新的實(shí)驗(yàn)?zāi)P汀?/p>

    研究和實(shí)踐表明,在太空環(huán)境下,由于重力消失,航天員骨骼負(fù)荷明顯減少,長期空間飛行很容易發(fā)生骨質(zhì)疏松。目前地面條件下研發(fā)的藥物,對太空骨質(zhì)疏松癥療效并不明顯。大量前期研究表明,天然存在于哺乳動物體內(nèi)的3-羥基丁酸,對于預(yù)防骨質(zhì)疏松效果顯著,它能否成為太空抗骨質(zhì)疏松的全新候選藥物,需要通過太空實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。在天舟-1搭載的生物反應(yīng)器中,科學(xué)家們用3-羥基丁酸處理骨相關(guān)細(xì)胞,在微重力環(huán)境下借助熒光顯微鏡觀察骨相關(guān)細(xì)胞形態(tài)、數(shù)量等指標(biāo),進(jìn)而確定在太空中這些細(xì)胞是否健康生長,在細(xì)胞水平上觀察其對骨質(zhì)疏松的治療效果。

    近年來大量研究表明,CKIP-1參與骨代謝,是成骨細(xì)胞分化和骨形成過程中至關(guān)重要的負(fù)調(diào)控因素,在骨組織增殖、分化過程中起重要作用。“微重力環(huán)境下CKIP-1對成骨細(xì)胞分化的影響研究”項(xiàng)目是在太空環(huán)境下研究CKIP-1對成骨細(xì)胞分化的影響及其機(jī)制,為對抗太空骨質(zhì)疏松提供新的思路和方法。

    空間生物反應(yīng)器主要技術(shù)指標(biāo)如下。

    1)樣品種類:不少于8種;

    2)培養(yǎng)溫度:(36±1)℃;

    3)儲液室溫度:4~10℃;

    4)培養(yǎng)單元數(shù)量:48個;

    5)輸出圖像類型:明場顯微圖像、熒光顯微圖像。

    2 兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

    本項(xiàng)目在太空開展流體的蒸發(fā)和冷凝實(shí)驗(yàn),研究重力變化對蒸發(fā)與冷凝傳熱傳質(zhì)過程的影響,探索微重力環(huán)境下具有質(zhì)量交換的相變流體界面的熱質(zhì)傳輸特殊規(guī)律,揭示相變流體傳熱傳質(zhì)的新現(xiàn)象和新機(jī)制,為解決空間高效傳熱工程難題提供解決思路。同時,在軌驗(yàn)證空間實(shí)驗(yàn)工質(zhì)供給、氣/液分離等空間氣/液兩相系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),為空間站深入開展兩相流體空間實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

    本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

    1)蒸發(fā)臺控溫范圍:+20~+60℃;

    2)冷凝臺控溫范圍:-5~+40℃;

    3)兩相回路子系統(tǒng)總排熱能力:≥80W。

    3 非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

    本項(xiàng)目進(jìn)行非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,在軌測試高精度靜電懸浮加速度計(jì)的工作性能,研究溫度、力學(xué)和電磁等擾動對高精度加速度計(jì)性能的影響。高精度靜電懸浮加速度計(jì)是空間引力實(shí)驗(yàn)和衛(wèi)星重力測量的核心關(guān)鍵設(shè)備,為我國空間站后續(xù)開展相對論與引力物理實(shí)驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ),并為重力梯度和弱作用力測量等未來空間試驗(yàn)提供重要技術(shù)支撐。

    其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

    1)測量頻率范圍:0.001~1Hz;

    2)量程:±(2.0±0.2)×10-4m/s2;

    3)測量分辨率:3.0×10-10m/(s2·Hz-1/2)。

    4 主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

    在空間站階段,將支持開展大規(guī)??臻g流體、空間材料與微重力基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn),某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求比航天器平臺高1~2個數(shù)量級的微重力環(huán)境,這就需要解決航天器上的微振動帶來的不利影響。天舟-1上搭載的主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目,是國內(nèi)首次在軌進(jìn)行六自由度磁懸浮主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,評估六自由度主動隔振控制技術(shù),為空間站高微重力實(shí)驗(yàn)提供解決方案,也將使我國成為繼美國、加拿大之后第三個在軌采用主動隔振控制技術(shù)服務(wù)于空間微重力實(shí)驗(yàn)的國家。

    主動隔振裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

    1)f≤0.5Hz,微重力加速度<9×10-5m/s2;

    2)0.5Hz<f≤100Hz,微重力加速度≤1.8f×10-4m/s2;

    3)f>100Hz,微重力加速度<1.8×10-2m/s2。

    5 載人空間站科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)展望

    我國載人空間站將于2019-2022年間進(jìn)行建造,規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的10余個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和密封艙外的若干重大研究設(shè)施,將在軌運(yùn)行10年以上,支持空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文與天體物理學(xué)、空間物理與空間環(huán)境、空間地球科學(xué)及應(yīng)用、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8個研究方向,以及31個研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目滾動實(shí)施。通過載人空間站的建造與長期運(yùn)營,期望在空間科學(xué)前沿探索重點(diǎn)方向進(jìn)入世界先進(jìn)行列,取得一批具有國際影響的重大發(fā)現(xiàn),使我國空間科學(xué)整體水平跨上新臺階;在空間應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展,突破和掌握一批戰(zhàn)略性空間應(yīng)用新技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù),引領(lǐng)我國未來空間應(yīng)用技術(shù)發(fā)展;面向國家迫切需求的重大應(yīng)用問題,提供先進(jìn)解決方案,取得重大應(yīng)用效益。

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