問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都有什么用

李忠東

2022 年7 月24 日14 時(shí)22 分，中國(guó)空間站問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙是中國(guó)空間站第二個(gè)艙段，也是首個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

7 月25 日3 時(shí)13 分，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙成功對(duì)接天和核心艙前向端口，整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約13 小時(shí)。這是我國(guó)空間站第一次在有人的狀態(tài)下進(jìn)行的交會(huì)對(duì)接。7 月25 日10 時(shí)03 分，“神舟十四號(hào)”航天員乘組成功開(kāi)啟問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙艙門(mén)，順利進(jìn)入問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。這是中國(guó)航天員首次在軌進(jìn)入科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

刷新紀(jì)錄振奮人心

與天和核心艙相比，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙更重、更大。它全長(zhǎng)17.9 米，最大直徑4.2 米，發(fā)射質(zhì)量23 噸，無(wú)論是長(zhǎng)度還是質(zhì)量，都創(chuàng)下了單體載人航天器的歷史紀(jì)錄。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙是中國(guó)空間站的重要組成部分，同時(shí)也是保證空間站正常運(yùn)行最重要的能源供應(yīng)者，具備更強(qiáng)的超萬(wàn)瓦級(jí)的供電能力、千兆級(jí)的信息傳輸能力。它由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，配置了3個(gè)睡眠區(qū)、1 個(gè)衛(wèi)生區(qū)、廚房等設(shè)施，主要用于支持航天員駐留、出艙活動(dòng)和開(kāi)展較大規(guī)模的密封艙內(nèi)、艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它可以與天和核心艙一起，支持兩艘載人飛船輪換期間6 名航天員的生活保障。

空間站建成后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙將作為航天員進(jìn)行艙外作業(yè)的主要出艙口。與此同時(shí)，作為天和核心艙的備份，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還具備對(duì)空間站組合體的管理和控制功能。也就是說(shuō)，在核心艙平臺(tái)功能出現(xiàn)故障的情況下，它可以接管對(duì)空間站組合體的操作，進(jìn)而從整體上提高了空間站的可靠性。

作為航天員未來(lái)在空間站內(nèi)進(jìn)行空間生命科學(xué)研究的主要基地，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的工作艙也更為寬敞，首次采用國(guó)際先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜來(lái)建造大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施。這些實(shí)驗(yàn)柜基本構(gòu)型一樣，高1.8 米，寬1.1 米，深0.9 米，對(duì)外接口統(tǒng)一。每臺(tái)實(shí)驗(yàn)柜都是一個(gè)小型的太空實(shí)驗(yàn)室，能通過(guò)可見(jiàn)光、熒光、顯微成像等多種在線檢測(cè)手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實(shí)驗(yàn)研究，或者提供變重力模擬，開(kāi)展不同重力條件下生物體生長(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究，幫助航天員開(kāi)展多種類(lèi)植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)理研究。

建立太空生態(tài)系統(tǒng)

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙要進(jìn)行的太空生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)包括10 多個(gè)研究主題，非常值得期待。其中生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制，十分引人注目。

生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜由多個(gè)通用生物培養(yǎng)模塊、小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、微生物監(jiān)測(cè)模塊和一臺(tái)離心機(jī)組成，支持在微重力和空間輻射環(huán)境下開(kāi)展如生物個(gè)體（植物、小型動(dòng)物等）效應(yīng)、空間輻射學(xué)、生命生態(tài)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)、生命起源機(jī)理等主題的研究。特別是針對(duì)小型生物在太空中的生長(zhǎng)發(fā)育，開(kāi)展物質(zhì)、能量閉環(huán)循環(huán)研究，為未來(lái)建立地外基地生態(tài)系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，提供理論基礎(chǔ)。這也是我國(guó)首次嘗試在太空建立封閉生態(tài)系統(tǒng)。

生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜還給擬南芥和斑馬魚(yú)留了“座位”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，有望揭示微重力對(duì)生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝的影響，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解，為航天員在軌輻射損傷評(píng)估、防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜最大的亮點(diǎn)就是“通用”。要探究這些“微觀”世界，少不了顯微鏡。一個(gè)“藏”在柜子里集普通光學(xué)、熒光、激光共聚焦的三鏡合一顯微鏡，正是該實(shí)驗(yàn)柜得以“通用”的奧秘所在。這個(gè)顯微鏡還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋的拍攝，減少航天員的手動(dòng)聚焦，實(shí)現(xiàn)天地協(xié)同工作。

在生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將搭建一個(gè)由藻類(lèi)、水草和斑馬魚(yú)組成的極簡(jiǎn)版小型水生生態(tài)系統(tǒng)，形成物質(zhì)、能量的閉環(huán)循環(huán)。這個(gè)小魚(yú)缸內(nèi)外布滿了各種特制的傳感器，科學(xué)家將由此摸索相關(guān)生態(tài)參數(shù)，為未來(lái)深空探測(cè)、月球及火星基地建立生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)柜可根據(jù)地面指令自動(dòng)供氧、供水，并與其他實(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展協(xié)同實(shí)驗(yàn)，在“服役”期間不斷升級(jí)，可謂功能強(qiáng)大。

“細(xì)胞公寓”神秘奇特

生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜主要由細(xì)胞組織培養(yǎng)模塊、蛋白質(zhì)結(jié)晶模塊、專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)裝置等模塊組成，可同時(shí)支持72 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元、36 種實(shí)驗(yàn)。它就像是一棟“細(xì)胞公寓”，擁有幾十間“精裝修”的實(shí)驗(yàn)單元，可完成從蛋白質(zhì)、細(xì)胞到組織、器官的多種實(shí)驗(yàn)。人類(lèi)無(wú)法到幾十億年前去追溯生命種子產(chǎn)生的“地外起源”環(huán)境，但微重力、強(qiáng)輻射的空間站環(huán)境可以為人類(lèi)提供一個(gè)類(lèi)似原始地球的環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)在“細(xì)胞公寓”中精心安排了“酒店式服務(wù)”，對(duì)每個(gè)“房間”進(jìn)行環(huán)境保障、精細(xì)觀察、場(chǎng)景檢測(cè)等操作。由于目前我國(guó)空間站上的實(shí)驗(yàn)需依靠航天員進(jìn)行操作，起到穿針引線的作用，所以在專(zhuān)業(yè)的生物學(xué)家進(jìn)駐空間站之前，對(duì)于裝置的安全性要求更高，操作性的設(shè)計(jì)也要求簡(jiǎn)便。

生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜自動(dòng)、可控、可更換，航天員只需要在實(shí)驗(yàn)前放入樣品，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出樣品，在軌勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。為了能精細(xì)觀察“細(xì)胞公寓”中的“住戶”，科研人員特地將地面實(shí)驗(yàn)室中體積較大的一些顯微鏡設(shè)計(jì)成“迷你版”復(fù)合型顯微鏡，裝入實(shí)驗(yàn)柜中。單元操作簡(jiǎn)便但是可靠，里邊主要是儲(chǔ)存多種液體，還有不同的泵組和光源。航天員只要為這些顯微鏡更換鏡頭和濾鏡，它們就能自動(dòng)巡檢、對(duì)焦，找到細(xì)胞位置，并記錄下一個(gè)個(gè)珍貴而關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)瞬間，其技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際空間站的商用設(shè)備相當(dāng)，但功能更強(qiáng)大，耗能也更少。

其他裝置也很給力

除了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還攜帶了哪些實(shí)驗(yàn)柜呢？

科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要進(jìn)行對(duì)照比較，因此需要在同一空間環(huán)境中模擬不同重力，以對(duì)其重力效應(yīng)和響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究。為了模擬不同的重力，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還攜帶了中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究的變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜主要由兩個(gè)離心機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和定子控制器等組成。它可以通過(guò)改變內(nèi)置離心機(jī)轉(zhuǎn)速，持續(xù)、穩(wěn)定地提供0.01g～2g（零重力到兩倍重力范圍）的高精度模擬重力環(huán)境，支持開(kāi)展模擬月球重力、火星重力下的科學(xué)研究，支持開(kāi)展不同重力條件下生物體生長(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究。

與地面實(shí)驗(yàn)室一樣，密閉潔凈的操作空間在太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)中也必不可少，超凈工作臺(tái)是最常見(jiàn)的設(shè)備之一。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的科學(xué)手套箱輕巧、寬敞、結(jié)實(shí)，配置靈巧的機(jī)械臂，支持各類(lèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品的隔離密閉和精細(xì)操作。它不僅光照可編程控制、風(fēng)速可調(diào)節(jié)，其溫度控制更可精確到0.5℃，濕度精度達(dá)4%，顯微操作精度不超過(guò)5 微米。有了科學(xué)手套箱的幫助，航天員能輕松地開(kāi)展精細(xì)操作或重復(fù)操作各種復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如基因注射、細(xì)胞核提取、染色體切割等。操作完成后，機(jī)械臂還會(huì)自動(dòng)把科學(xué)手套箱打掃干凈?？紤]到實(shí)驗(yàn)艙將在軌運(yùn)行多年，為了適應(yīng)將來(lái)在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)不斷升級(jí)的需求，科學(xué)手套箱還配置了多類(lèi)可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)接口，為日后更新提供強(qiáng)大支撐。

低溫存儲(chǔ)裝置由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所等研發(fā)，是我國(guó)首臺(tái)“ 太空冰箱”， 集成了3 個(gè)冷凍冷藏區(qū)，既可以對(duì)樣品進(jìn)行4℃保鮮，也可進(jìn)行-20℃、-80℃冷凍，滿足樣品的不同低溫存儲(chǔ)要求。由于低溫存儲(chǔ)裝置與科學(xué)手套箱疊放在一起，為了使兩臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)互不干擾，科研人員進(jìn)行了大量測(cè)試與優(yōu)化，解決了震動(dòng)、噪聲、釋氣等一系列問(wèn)題，使它們能夠“珠聯(lián)璧合”。

在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙和資源艙外，配置了多個(gè)暴露應(yīng)用載荷接口，具有較強(qiáng)的艙外應(yīng)用載荷支持能力。所謂“暴露”，指的是直接暴露于太空環(huán)境?？臻g環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域的一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，以及衛(wèi)星平臺(tái)等航天器新技術(shù)領(lǐng)域的試驗(yàn)載荷，需要在艙外環(huán)境中實(shí)施開(kāi)展。這些載荷可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)適配接口，安裝在暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。

此外，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還在艙外部署了能量粒子探測(cè)器、等離子體原位成像探測(cè)器，用于獲取空間質(zhì)子、電子、中子、重離子和等離子體等環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)。

“問(wèn)天”之后還有亮點(diǎn)

今年，我國(guó)還將發(fā)射夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙，主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜。同時(shí)，在“天宮二號(hào)”空間冷原子鐘的基礎(chǔ)上，將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時(shí)間頻率系統(tǒng)，開(kāi)展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量等前沿科學(xué)研究。

為了把星辰大?？吹酶鼜V、更深、更清晰，我國(guó)還計(jì)劃在2023 年發(fā)射首個(gè)大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡，它將與中國(guó)空間站共軌飛行，成為中國(guó)的“深空之眼”，為我們帶來(lái)全景式宇宙高清圖。它擁有2 米口徑，成像質(zhì)量與哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，但視場(chǎng)變大了300 倍，能巡視42% 的天區(qū)面積，還可以“緊盯”一個(gè)方向進(jìn)行多色極深度成像觀測(cè)。

中國(guó)不是有“天眼”FAST 嗎，為啥還要發(fā)射巡天望遠(yuǎn)鏡？那是因?yàn)檫@兩種望遠(yuǎn)鏡的性質(zhì)是不一樣的?！疤煅邸盕AST屬于世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它的“大鍋”主要接收宇宙中的無(wú)線電波，從而研究宇宙當(dāng)中的致密天體，如脈沖星以及無(wú)線電波段的天體，這些天體在可見(jiàn)光波段是看不見(jiàn)的。而巡天望遠(yuǎn)鏡屬于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它將幫助天文學(xué)家觀測(cè)超過(guò)10億個(gè)星系。