太空實驗室，求索天地間_風聞

來源：中國科學報文 ｜ 《中國科學報》 記者 倪思潔 高雅麗“你們知道世界上最冷的地方在哪裏嗎？”“就在我頭頂。”2023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，神舟十六號航天員桂海潮指着超冷原子物理實驗櫃説，“它可以實現地面無法實現的温度，並製備出接近絕對零度的超低温物質，這種物質的原子會呈現特殊的狀態，用於更好地探索量子力學的奇異世界。”在中國航天員於正式運行的國家太空實驗室給孩子們講課的同時，中國科學院空間應用工程與技術中心（以下簡稱空間應用中心）研究員張璐正在電視台“天宮課堂”的直播現場，給孩子們深入講解國家太空實驗室裏的高科技。張璐等來自中國科學院的科學家屬於最瞭解太空實驗的一羣人，他們為國家太空實驗室的誕生提供了強有力的科技支撐。屏幕前，全國各地的孩子看着直播畫面，聽着科學家的講解，眼裏滿是期待與驚喜。中國空間站國家太空實驗室。把實驗室搬進太空國家太空實驗室是依託中國空間站建立的國家級太空研究平台。回溯中國空間站建設的歷史可以發現，建立國家太空實驗室是中國早在30多年前就已明確的目標。1992年，我國批准實施載人航天工程，明確“三步走”戰略——第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。“造船為建站，建站為應用”，這是我國載人航天工程建設發展的初衷。而“太空實驗”是“應用”的重中之重，也是“三步走”戰略實施過程中一直努力的方向。在1992年中國載人航天工程確立之初，國家就把載人航天空間科學與應用的重任交給了中國科學院，由這支科技“國家隊”負責相關任務的論證、立項與實施。在載人飛船階段，中國科學院組織開展了當時規模最大、領域最廣的空間科學與應用計劃，28項空間科學實驗均為國內首次開展，在我國空間生命、材料等基礎研究方面起到了開創奠基作用。在空間實驗室階段，中國科學院組織開展了50餘項科學實驗與技術試驗。其中，我國研製的世界首台空間冷原子鐘達到10-16秒量級的超高精度，伽馬暴偏振儀等項目也取得了國際領先的研究成果。2021年，中國空間站迎來建設元年。這年4月29日，天和核心艙被長征五號B運載火箭送入太空，中國空間站在軌組裝建造由此開啓。中國科學院組織全國相關科技人員，在空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用四大領域，規劃佈局了覆蓋面廣泛的研究項目，研製了一批具有國際一流水平的科學實驗機櫃和艙外設施。作為中國空間站實驗規劃和實驗櫃研製的參與者，來自空間應用中心的科研人員常被問到“為什麼要把實驗室搬進太空”。每次遇到這個問題，載人航天工程空間應用系統總指揮助理、空間應用中心研究員張偉都會認真作答：“我們要探尋‘我們是誰’‘我們從哪裏來’，瞭解生命、宇宙的起源與演化；我們也要回答‘我們到哪裏去’，如果地球未來不適合人類生存了，我們就需要找一個地外的生存空間。此外，我們還可以讓太空資源為人類所用。”在他和同事看來，前往太空、探索太空，既是人類好奇心的驅使，也是人類發展的終極需求，而空間站為人類邁向宇宙奠定了基礎，是人類開展太空探索、開發太空資源的前哨平台。“太空實驗室能夠為我們提供很好的研究條件，比如長期的微重力、輻射條件，讓我們可以研究這種環境下新的生命科學、物理科學現象，研究產生這些現象的機理，掌握未來人類長期在太空生存需要採取的措施。”張偉説。向着明確的目標、帶着美好的期待，2022年中國空間站迎來了忙碌的一年。2022年7月25日，問天實驗艙與天和核心艙成功對接；2022年11月1日，夢天實驗艙成功對接；2022年11月3日，夢天實驗艙順利完成轉位，中國空間站“T”字基本構型在軌組裝完成。建成後的中國空間站成為一座國家太空實驗室，也成為中國航天史上規模最大、長期有人照料的空間實驗平台。其中，天和核心艙主要面向航天醫學、空間科學實驗和技術試驗；問天實驗艙主要面向空間生命科學研究；夢天實驗艙主要面向微重力科學研究。“方寸”之間顯身手當2023年8月18日中國國家太空實驗室宣佈正式啓用時，張璐、張偉心裏説不出的激動。“把實驗室搬進太空”，是無數科研人員經過無數次嘗試和努力的結果。中國空間站三艙部署的實驗機櫃與一系列艙外設施，可開展上千項科學實驗。其中，生命生態實驗櫃、流體物理實驗櫃、無容器材料實驗櫃、高精度時頻實驗櫃、高微重力科學實驗櫃等14個科學實驗櫃均由中國科學院牽頭完成。空間站科學實驗櫃及其分佈情況。這14個實驗櫃有共同的研製難點。難點之一是“小”，研製實驗櫃相當於把在地面上一整間屋子裏的實驗裝置，塞進不到兩立方米的櫃子裏；難點之二是實驗櫃要既輕便又牢固，用最小的重量搭載最多的科學載荷，以便未來能夠承載更多的科學研究；難點之三是要有科學前瞻性，能滿足後續十年的科學實驗需求。每一個科學實驗櫃都相當於一個綜合性實驗室，而櫃子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米。“技術創新是唯一的辦法。”張璐説。科研團隊針對實驗櫃進行了幾百次仿真和力學試驗驗證；他們在櫃體上進行了大量的減重優化設計，又對局部進行加固處理，滿足發射需求。通過多輪次“材料優選、輕量化設計、仿真分析、力學試驗驗證”的迭代，實驗櫃在櫃體主結構不到100公斤的情況下，承重能力達到500公斤，比國際空間站實驗櫃高出兩倍以上。此外，在科學研究規模越來越大、科學設施越來越複雜，以及學科之間不斷交叉融合的當下，科學家和工程師的合作越來越重要。早在2011年，中國科學院就開始徵集空間科學實驗項目建議，從而最大限度地確保實驗項目的前沿性和前瞻性。“當時有500多個項目建議，我們從項目建議中提煉出需求，再歸納總結形成實驗裝置的設計方案。”張偉感慨，“科學家就像大腦，需要醖釀出一個科學想法；工程師就像雙手，把科學想法變成現實。”不同於國際空間站裏線纜管路雜亂無章，中國空間站整潔、清爽。這是因為科研團隊針對每個科學實驗系統的共性技術，提煉出一套基礎支撐系統，在統一的需求上兼容各自獨立的科學實驗需求。不過，14個實驗櫃也各有各的研製難點。張璐常把這14個實驗櫃比作14個性格迥異的人。以高精度時頻實驗櫃為例，作為空間站中最複雜的實驗櫃，它由13台單機組成，是世界上第一套由主動型氫原子鐘、冷原子銣鍾、冷原子光鍾組成的空間高精度時頻系統，目標是成為世界上最高精度的空間時間頻率產生和運行系統。在該研製項目立項後的很長一段時間裏，研製工作一直推進緩慢。“技術難度超出預想，國際上沒有人幹過這件事，歐洲科學家一直想做，但因難度太大一拖再拖。”張璐説。到2019年，中國科學院整合全院資源，成立工程攻關組，以中國科學院國家授時中心（以下簡稱授時中心）為任務總體單位，聯合中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所），組織國內十餘家單位共同研製。自此，高精度時頻實驗櫃的研製進入快車道。為了解決科學技術與工程的融合問題，授時中心和上海技物所通力合作，實現了前沿科技的工程化；為了保證星地時間傳遞的高精度和穩定度，中國科學院上海天文台研製出激光時頻傳遞載荷，突破了單光子光電探測、皮秒精密計時、低時延抖動等多項關鍵技術；為了實現更加穩定和準確的時頻信號指標，中國科學院上海光學精密機械研究所研製出冷原子微波鍾，評定鍶光鍾誤差，長期駕馭氫鍾，為高精度時頻系統的高精度時間頻率提供了可靠保障……通過強強聯合，中國科學院科研團隊建成了目前世界上在軌設計指標最高的空間時間頻率系統。除了解決共性和個性的技術難題之外，團隊還要爭分奪秒，在有限的時間裏交付科學實驗櫃。2021年4月29日，天和核心艙發射升空，張璐緊盯屏幕，屏住呼吸，心提到了嗓子眼兒。直到得到發射成功的消息，他才鬆了一口氣。此時，他腦海裏閃過2020年國慶節前的一幕。那時，天和核心艙裏所有實驗櫃的研製已完成，需要進行最後的狀態設置和測試，留給張璐等人的時間只有8.75天，而需要研究和測試的工序多達上百道。他們把時間節點精確到分鐘，拼命趕進度。張璐留意到，櫃體從集成大廳被拉到電測大廳的短短3分鐘時間裏，一位同事已經見縫插針地躺在地上睡着了。2020年國慶節前夕，張璐團隊與實驗櫃合影。“太空特產”帶來的驚喜所有的努力，都得到了最直接的回報——“太空特產”。2024年5月1日凌晨，神舟十七號乘組回到地球的幾個小時後，20多位科學家滿懷期待地在空間應用中心的大廳裏等待着。此刻，外面是漆黑的夜，大廳裏燈火通明。50份實驗樣品被層層包裹着，連夜送到科學家手中。經過拆包、稱重、測温，最終科學家獲得的樣品總重量約有31.5公斤，有人類成骨細胞、骨髓間充質幹細胞、蛋白質晶體、生命有機分子、種子、無容器材料、高温材料、艙外暴露材料……這些實驗樣品被科學家親切地稱為“太空特產”。神舟十七號載人飛船返回的樣品。之後，這些“太空特產”被科學家帶回各自的實驗室。他們要對返回的生命類細胞樣品進行轉錄組測序、蛋白組學檢測等生物學分析，對生命類蛋白質樣品進行晶體衍射分析，對地面和空間樣品的組織形貌、化學成分及其分佈差異等進行測試分析……這31.5公斤實驗樣品，是科學家從中國空間站收到的第6批“太空特產”。從神舟十二號到神舟十七號，航天員先後乘坐6艘載人飛船，為科學家們帶回了6批、300多份科學實驗樣品，包括中國科學院在內的國內外百餘家科研院所參與研究。例如，中國科學院分子植物科學卓越創新中心科研團隊在國際上首次對空間站裏水稻“從種子到種子”全生命週期的培養過程進行研究；中國科學院水生生物研究所聯合上海技物所共同研製出一套水生生態系統，將斑馬魚送上空間站，實現我國在太空培育脊椎動物的突破……空間站返回水稻實驗樣品。據統計，目前科學家基於空間站返回樣品，已經在空間生命科學、空間材料科學、微重力流體物理等方向取得重要成果，在國際一流期刊發表論文300餘篇。這其中每一項科研成果的背後，都離不開太空實驗室裏一個個科學實驗櫃的支撐：科學家利用無容器材料實驗櫃開展多元偏晶合金製備項目，提出了工藝優化設計和組織調控方法，應用於核電、電子通信、裝備製造等領域多種關鍵材料的製備，使相關性能獲得有效提升；科學家利用高温科學實驗櫃開展新型材料空間生長研究項目，首次在太空獲得地面難以製備的高質量晶體材料，對高性能多元半導體合金材料製備具有指導作用；科學家利用生物技術實驗櫃開展人骨細胞定向分化的分子靶點研究、空間環境對骨骼肌影響的生物學基礎研究等，取得的成果為防治骨折、修復脊柱損傷、對抗肌萎縮和防治代謝性疾病等提供了新的方案；科學家利用航天基礎試驗機櫃開展我國首次斯特林熱電轉換技術的在軌試驗，熱電轉換效率等綜合技術指標達到國際先進水平，為未來空間新型電源系統的工程應用奠定了良好基礎……儘管成果豐碩，但這支打造國家太空實驗室的科研團隊沒有停下腳步。“我們還在做三件重要的事。一是每年滾動實施項目，面向全國徵集科學研究項目，組織科學討論組遴選，並將相應的實驗樣品送上天。二是規劃新裝置、新實驗平台。例如，我們正在討論是否可以建立一個能養小鼠的太空動物實驗平台，以便深入研究空間微重力環境對動物骨骼、肌肉、神經和免疫等方面的影響。三是對現有科研成果進行跟蹤、梳理、分析，加強成果推廣與應用，不斷獲取應用效益。”張偉説。就在前不久，神舟十八號乘組將35公斤的上行實驗單元及配套設備帶進國家太空實驗室，並着手開展“空間先進水生生保系統關鍵技術研究”等4個新的科學實驗。空間站水生生態系統研究。空間應用中心供圖神舟十八號發射的那天，戈壁灘已入夜，烈焰劃破蒼穹，現場觀看發射的人羣發出熱烈又響亮的歡呼聲。全國各地的人圍在屏幕前，目送航天員和實驗樣品衝進太空。所有人都滿懷期待，等待着國家太空實驗室創造新的科學奇蹟。