“天宮二號”上的科學(xué)“神器”

在浩瀚的太空中，天宮二號正翩然翱翔。作為我國首個真正意義上的空間實驗室，天宮二號上要進行各類空間科學(xué)實驗與探測項目，這些實驗有的旨在探索宇宙最深處的奧秘，有的為了幫助人類更好地認識地球，有的則為將來人類的長期載人航行提供基礎(chǔ)……它們無一不是在向世界科學(xué)的最前沿發(fā)起挑戰(zhàn)，為中國科技領(lǐng)跑世界而凝神聚力。

那么天宮二號里有哪些科學(xué)“神器”？且隨大臉兔去一探究竟吧！

綜合材料實驗裝置

天宮二號中有一只“神爐”，它叫“綜合材料實驗裝置”。它由“材料實驗爐”“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構(gòu)成，總重約27.6公斤，最大功耗不到200瓦，卻能實現(xiàn)真空環(huán)境下最高950攝氏度的爐膛溫度，足以將玻璃或銀條熔化。它能“煉制”復(fù)合材料、金屬材料、有機高分子材料和晶體材料等。它煉制的寶貝有啥神奇之處？就拿晶體材料來說吧，太空中生長的晶體，探測能力讓地面生長的晶體望塵莫及。比如，普通CT檢查一般只能確定直徑2毫米以上的腫瘤，對于一些微小早期發(fā)病部位“視而不見”，而安裝了太空產(chǎn)閃爍晶體的CT探測精度則會大大提升，可能在腫瘤1微米時就能被精確定位。

天宮二號伴隨衛(wèi)星

天宮二號有一個如影隨形的“小伙伴”——伴隨衛(wèi)星。它圍繞天宮二號或遠或近不同角度地伴隨飛行。這個“小伙伴”將承擔(dān)哪些任務(wù)？

它是攝影家，因為它搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，能夠在空間繞飛試驗過程中對天宮二號與神舟十一號飛船組合體進行高分辨率成像，成為“天宮神舟大婚的攝影師”。

它是護航員，隨時對天宮二號表面狀態(tài)進行檢查。伴星的相機好比一個非接觸式的醫(yī)療熱像儀，如果有太空碎片“襲擊”航空器，導(dǎo)致天宮二號的“體溫”出現(xiàn)異常，它可以及時發(fā)現(xiàn)并報警。

它還是特技師。伴隨衛(wèi)星在軌期間會開展伴飛試驗，從天宮二號在軌釋放，在空間輕松上演自由貼近、遠離的華麗“動作大戲”。同時配合空間站開展多平臺間的協(xié)同試驗，拓展空間應(yīng)用。

寬波段成像光譜儀

天宮二號上還有個高定款數(shù)碼相機，能同時拍出可見光、紅外、光譜、偏振4種照片，它叫“寬波段成像光譜儀”。

這款太空相機有兩大任務(wù)：一是看海洋。它可以準確觀測海洋的水色和水溫，還能提取到海水中的葉綠素、色素濃度等信息，不僅可以準確監(jiān)測到發(fā)生在任何海域的赤潮現(xiàn)象，還可以判斷出這片海域的浮游生物量和初級生產(chǎn)力，指導(dǎo)漁民出海作業(yè)。它可以探測水溫、海冰和洋流信息，且具備很高的水溫變化探測靈敏度。

二是看大氣。由于光的偏振特性對大氣粒子具有獨特敏感性，偏振成像可獲得很多關(guān)鍵性信息，對氣象預(yù)報、氣候預(yù)測有重要價值。簡單說，它能看霧霾，并輔助專家們分析霧霾。

液橋熱毛細對流實驗裝置

天宮二號里，我國將首次開展液橋熱毛細對流的空間實驗。

液橋是什么？通俗地講，液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體，液體像橋梁一樣連接起兩個固體，所以稱為“液橋”。

在地球上，因為重力關(guān)系，很難建立起大尺寸的液橋，但在太空微重力環(huán)境下，可以建立起很大尺寸的液橋。這次在天宮二號上的實驗將由科學(xué)家們遠程操控，用天宮二號上搭載的液橋熱毛細對流實驗裝置完成。實驗箱內(nèi)置了172組預(yù)定模式實驗曲線，只要科學(xué)家在地面指間一動，就可以輕易地完成液橋“172變”。

它有什么用？如果想要生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，就要科學(xué)控制在晶體生長過程中浮力對流、熱毛細對流的影響，而太空特有的微重力環(huán)境將使科學(xué)家深入剖析熱毛細對流的真實過程。

“天極”望遠鏡

人眼不能分辨光的偏振狀態(tài)，蜜蜂對偏振卻很敏感。天宮二號中有一只“小蜜蜂”，用它的“復(fù)眼”捕捉并測量遙遠宇宙中突然發(fā)生的伽馬射線暴的偏振性質(zhì)，它就是“天極”伽馬暴偏振探測儀，簡稱“天極”望遠鏡。

伽馬射線是有很強穿透性的電磁波。恒星臨終時發(fā)生劇烈爆炸，產(chǎn)生極強烈的伽馬射線輻射，持續(xù)時間長不過幾千秒，短不足百分之一秒，其亮度卻超過全宇宙其他天體的總和，輻射能量與太陽一生相當(dāng)，這就是伽馬射線暴。

伽馬暴的起源及相應(yīng)的物理過程，一直是天文學(xué)家們研究的前沿課題之一。近十幾年來，對伽馬暴的研究雖然已經(jīng)取得長足進步，但一些基本問題還未解決?？茖W(xué)家推測，對伽馬暴伽馬射線偏振的研究可為解決這些問題提供新線索，卻缺乏有效測量儀器。“天極”望遠鏡填補了這個空白，它是全球最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，將高精度且系統(tǒng)性地測量伽馬射線暴的偏振性質(zhì)，預(yù)期運行2年，探測約100個伽馬射線暴。

高等植物培養(yǎng)箱

這次天宮二號上也會種植物哦，不過種的不是土豆，而是擬南芥和水稻。它們生活在高等植物培養(yǎng)箱里，科學(xué)家們將通過實時成像技術(shù)，記錄微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長到開花發(fā)育的全過程，并下傳圖像進行“全程直播”。

在太空中種植植物，對人類來說太重要了。植物不僅可以利用光能產(chǎn)生食物，還可以產(chǎn)生氧氣，吸收人類代謝的許多廢氣、廢物，人類要進行星際旅行，在可再生的宇航員生命支持系統(tǒng)中，高等綠色植物是物質(zhì)循環(huán)與能量交換的關(guān)鍵。

空間環(huán)境分系統(tǒng)

天宮二號上有一個“情報機構(gòu)”——空間環(huán)境監(jiān)測及物理探測分系統(tǒng)，簡稱“空間環(huán)境分系統(tǒng)”，它用來收集空間環(huán)境相關(guān)情報。

在太空中，能量很高的帶電粒子輻射可能導(dǎo)致航天器材料性能下降或損壞，也可能破壞宇航員的器官組織，嚴重時甚至有生命危險?？臻g環(huán)境分系統(tǒng)的帶電粒子輻射探測器身上的16個小探頭可以從16個方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子，實現(xiàn)艙外16個方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強度和能譜監(jiān)測。有了它，就可以監(jiān)測軌道大氣密度、成分及其時空變化等，告訴你是誰拖延了天宮的腳步。

空間冷原子鐘

當(dāng)計時器的誤差超過千分之一秒/天，電子通信網(wǎng)絡(luò)、高速交通管理、金融系統(tǒng)安全、電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電等日?；顒泳蛯⑾萑牖靵y；當(dāng)誤差超過十億分之一秒/天，衛(wèi)星導(dǎo)航定位、導(dǎo)彈精密打擊等高精準度行為就會不同程度地偏離目標；而深空探測、引力波探測等科研活動，對時間精度要求就更高了。

為了避免這些問題，科學(xué)家們找到了原子鐘?？茖W(xué)家們利用原子非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點，制作出高精度計時裝置原子鐘。當(dāng)前地面上投入使用的最準確的原子鐘，誤差已降到萬億分之一秒/天。

但在地面上，由于重力作用，自由運動的原子團始終處于變速狀態(tài)，原子鐘精度受到限制。而在空間微重力環(huán)境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動，從而獲得更高精度信號。

這次，天宮二號所搭載的這座使用銣原子的超高精度空間原子鐘，是人類歷史上第一臺在軌進行科學(xué)試驗的空間冷原子鐘。這將成為國際上首臺在軌運行并開展科學(xué)實驗的“空間冷原子鐘”。

三維成像微波高度計

天宮二號上有個“三維成像微波高度計”，是國際上首個實現(xiàn)寬刈幅海面高度測量并能進行三維成像的微波高度計。

傳統(tǒng)海洋微波高度計在海洋觀測中只能獲得星下點3公里左右觀測的范圍，即獲得沿軌跡方向星下點的一維海平面高度測量，天宮二號微波高度計則可實現(xiàn)35公里至40公里幅寬內(nèi)的高精度三維海洋表面觀測，極大提高了觀測效率。

這種能力有何作用？海洋災(zāi)害的發(fā)生，往往伴隨著海洋環(huán)境的異常變化，如局部海洋區(qū)域的海面高度和海面溫度的異常升高。而海面高度的異常升高，例如“厄爾尼諾現(xiàn)象”，幅度僅為厘米級，只有微波高度計能夠敏銳捕捉到這種細微變化。人類只有深刻地、清晰地了解海洋環(huán)境的安全性，才能真正地開發(fā)和使用海洋資源。

量子密鑰分配專項

自從人類開始說話以來，就有了說“悄悄話”的需要。密鑰就是通過對傳輸?shù)男畔⑦M行加密，防止他人獲取信息內(nèi)容，確保你的“悄悄話”可以悄悄說。不過，隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)密鑰不斷被破解，現(xiàn)在已經(jīng)很難有一把安全的密鑰了，除了量子密鑰。

量子密鑰的安全性基于量子物理的基本原理。作為光的最小粒子，每個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確復(fù)制兩大特性，使得存在竊聽就一定會被發(fā)送者察覺并規(guī)避，從而保證了信息的安全。

天宮二號上有一個“量子密鑰分配專項”載荷，以實現(xiàn)空地間實用化的量子密鑰分配為目標，通過天上發(fā)射一個個單光子并在地面接收，生成“天機不可泄露”的量子密鑰。天宮二號的軌道飛行高度近400公里，飛行速度約為每秒鐘8公里。地面站的接收口徑約1米。用來生成量子密鑰的光子需要精準地打在地面站的望遠鏡上，就如同在一列全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準確地投到10公里以外的一個固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。