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(shè)計劃以來，“我們?nèi)タ臻g站干什么”就一直是大眾關(guān)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(xué)實驗首批國際合作項目?，F(xiàn)在，中國空間站面向國內(nèi)公開征集空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗項目活動也已經(jīng)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(yīng)用中心應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉回應(yīng)了各界的關(guān)切。

問：能否簡要介紹下中國空間站的建造計劃和運(yùn)行計劃？

答：我國預(yù)計在2020年發(fā)射核心艙，2022年左右發(fā)射實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，然后把三個艙進(jìn)行組合，形成一個T字形構(gòu)型，構(gòu)成了一個完整的空間站?？臻g站從2022年之后開始運(yùn)行，預(yù)計在軌10年以上，在這10年當(dāng)中可以支持大量的科學(xué)研究和實驗。

問：我們都知道太空的環(huán)境非常復(fù)雜，我們?yōu)槭裁匆ヌ罩凶鰧嶒灒?/p>

答：利用載人航天開展科學(xué)實驗有很多優(yōu)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(zhì)的規(guī)律會發(fā)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(fā)生了變化，它只是一種擴(kuò)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(zhì)的特殊規(guī)律。

第二，航天員可以在軌進(jìn)行實驗操作、更換實驗設(shè)施和實驗設(shè)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(jìn)行觀測，天文望遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行長期研究，取得新的發(fā)現(xiàn)。比如說“天宮二號”，我們就把培養(yǎng)的植物樣品和材料科學(xué)的樣品拿回來了。

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

答：比如歐洲牽頭開展了在太空中飼養(yǎng)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(jié)果進(jìn)行對比，看在太空生活對生命體的細(xì)胞、神經(jīng)系統(tǒng)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(chǔ)。

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(xué)家發(fā)現(xiàn)了“冷焰”這種特殊的現(xiàn)象，火焰熄滅以后物質(zhì)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(xiàn)象可以提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率，特別是柴油發(fā)動機(jī)，讓發(fā)動機(jī)的污染排放量更小，對今后發(fā)動機(jī)的設(shè)計改進(jìn)具有很大指導(dǎo)作用。咱們“天宮二號”上也做過類似的實驗。但是要想發(fā)現(xiàn)它的本質(zhì)規(guī)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(jìn)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(nèi)有大量的科學(xué)實驗柜，支持各個方向的艙內(nèi)科學(xué)實驗，包括生命科學(xué)、流體科學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理等等。

比如說，在基礎(chǔ)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(guī)律。另外我們還有一個高精度時頻系統(tǒng)，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(dǎo)航等提供基準(zhǔn)的頻率和時間信息。

另一方面，在艙外有一些標(biāo)準(zhǔn)載荷的適配器，還有一些掛大型載荷的掛點。在艙外可以進(jìn)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(jìn)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?。所有的實驗設(shè)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(zāi)，否則就非常危險，非常嚴(yán)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(shè)備的定時定點觀測也需要控制，必須開發(fā)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(yǎng)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(shè)計讓它能夠吃到食物喝到水？小鼠還要產(chǎn)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(shè)計一個獨特的進(jìn)樣裝置，像左輪手槍一樣，樣品就像子彈，一種樣品放進(jìn)去，加工完以后“彈倉”就轉(zhuǎn)一下方向，把加工好的樣品像退“彈殼”一樣退出，再放進(jìn)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(shè)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?qū)ο笾饕心男?/p>

答：這次面向的對象是國內(nèi)的科學(xué)家。提交項目包括十幾個研究方向，比如說空間生命科學(xué)，包括動物、植物、微生物、細(xì)胞等各方面研究；流體科學(xué)，包括微重力流體下的一些特殊規(guī)律研究；空間材料科學(xué)，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(chǔ)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(tài)下原子的一些規(guī)律。艙外有一個大型設(shè)施，多功能光學(xué)設(shè)施，可進(jìn)行宇宙的觀測，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞、暗物質(zhì)等等。還包括地球觀測及應(yīng)用新技術(shù)。

問：對于想提交項目的科學(xué)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(guān)注以下三個方面：

首先必須滿足和空間的相關(guān)性。這個實驗和空間密切相關(guān)，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(chuàng)新性和先進(jìn)性比較突出。項目必須有足夠的創(chuàng)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(chuàng)性的新的東西，這樣的項目優(yōu)先送上天。

▲超冷原子物理實驗柜

▲生命生態(tài)實驗柜

▲高精度時頻實驗柜

▲燃燒科學(xué)實驗柜

第三個條件在于可實現(xiàn)性。這個項目在技術(shù)上是不是成熟，是否能夠在空間完成？我們現(xiàn)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(xiàn)？這也是要關(guān)注的一個方面。

問：之前聯(lián)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(nèi)的征集有什么不一樣嗎？

答：首先，面向國際征集是為了擴(kuò)大中國空間站的國際影響，讓國際社會關(guān)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(nèi)的征集主要是希望中國的科學(xué)家能把空間站建設(shè)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(yè)等都能夠參加，提升整個國家的科學(xué)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(xué)研究有什么意義？

答：以前我們在空間的實驗機(jī)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(shù)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(xué)實驗。通過這些實驗，我們可以大大提升我國空間科學(xué)領(lǐng)域的研究水平。這些年我們的空間技術(shù)獲得了很大的發(fā)展，但是空間科學(xué)發(fā)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(xué)的水平。

另外，我們通過相關(guān)研究，可以掌握人在太空長期生存時的一些特殊規(guī)律，包括物理的和生命的規(guī)律，為人類今后在太空長期生存奠定基礎(chǔ)。同時我們開展大量的深空技術(shù)驗證，包括太空3D打印、太空激光通信，通過這些技術(shù)的驗證，讓人類走得更遠(yuǎn)，走向火星甚至更遠(yuǎn)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(yùn)行控制中心遙控控制實驗的操作，包括參數(shù)調(diào)整或者設(shè)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(xué)實驗中的精細(xì)的操作，包括進(jìn)行在軌的觀察。現(xiàn)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(xué)實驗的專家，在短期內(nèi)就把相關(guān)的實驗批量完成。他們的專業(yè)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(zhǔn)備對接

問：這次的申報準(zhǔn)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(fā)布了項目征集公告，8月底結(jié)束申報，差不多有4個月的準(zhǔn)備時間。

另外，考慮到科學(xué)家可能有很多創(chuàng)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(dǎo)，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(nèi)說明要做的實驗、需要的資源、以及實驗的創(chuàng)新性和先進(jìn)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(shè)計和實驗的參數(shù)都提升了，比如擴(kuò)展空間站材料實驗柜的加工溫度，國際空間站達(dá)到2000多度，我們可以達(dá)到3000度。我們能夠開展的實驗也會更加豐富，可以同時進(jìn)行幾十種實驗。

問：如果我是一個高中生或者大學(xué)生，也有機(jī)會申報這個項目嗎？

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

問：如果我的項目被選中，我有機(jī)會去太空做實驗嗎？

答：是的，科學(xué)家也是有機(jī)會上天的，如果身體過關(guān)的話，科學(xué)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(shù)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(xué)家還有機(jī)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(xué)大院”公眾號（ID：kexuedayuan）