20年來，國際空間站都在干啥

文/ 遲惑

國際空間站最大的用處，顯然是科學研究。因為具備微重力、宇宙輻射等多重地球上難以模擬的條件，國際空間站一直是相關(guān)行業(yè)科學家們向往的高端實驗室。嚴格來說，國際空間站目前還沒有取得特別重大、足以顛覆人類認知和生產(chǎn)生活方式的科學發(fā)現(xiàn)和科研成果，而且多數(shù)科研項目的內(nèi)容艱深晦澀，難以為外行所理解。但千里之行始于足下，國際空間站目前為止取得的成果、特別是進一步開展高端科研的潛力，讓全世界科學家們激動不已。

國際空間站上的科研活動基本可以分為以下幾個領(lǐng)域。

▲ 國際空間站全貌

生物科學與生物技術(shù)

國際空間站在不受重力限制的情況下研究生物或生命科學，其中包括重力和基因組多樣性在生物過程中的作用。

我們所認知的細胞、微生物、動植物都是在地球重力作用下進化和發(fā)展的，一些生物系統(tǒng)的遺傳多樣性在地球環(huán)境中被掩蓋了。如果進入微重力環(huán)境加以對照，就會展現(xiàn)出重力環(huán)境對進化產(chǎn)生了什么影響。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，微重力下微生物的毒性會增強，干細胞會展現(xiàn)出多能性。

國際空間站研究的結(jié)果對理解基本的生物過程、了解壓力反應(yīng)、開發(fā)能防治疾病的藥物和治療方法、改善地球上的食物供應(yīng)、提高太空探索的生命支持能力等都有重要意義。此外，更好地了解其中一些生物過程（如微生物的毒性和浮游生物與細菌生物膜形式的行為）也可能對航天員的健康和改善地球上的生命產(chǎn)生影響。

@晶體學

例如在分子生物學領(lǐng)域，蛋白質(zhì)結(jié)晶是這門學科的前沿。高質(zhì)量大分子晶體的生長對于蛋白質(zhì)工程師、生物化學家和藥理學家來說都是至關(guān)重要的。生物技術(shù)和制藥研究人員一直在設(shè)法改善蛋白質(zhì)結(jié)晶過程，以生長大而有序的晶體，用于X射線和中子衍射研究。然而，在地球上，由于晶體溶液中的分子大小和重量不均勻，蛋白質(zhì)結(jié)晶過程受到沉降和對流力的阻礙。這導致許多形狀不規(guī)則、尺寸小的晶體無法進行衍射。

國際空間站上的微重力環(huán)境相對不受沉降和對流的影響，為晶體生長提供了一個特殊的環(huán)境。在微重力條件下生長的晶體，可以獲得許多重要蛋白質(zhì)分子原子三維結(jié)構(gòu)的詳細知識，可以用于癌癥治療、中風預防和其他疾病的藥物研究。

@微生物學

對微生物進行研究，主要是為了未來長期宇宙飛行做準備。人類本身是微生物的宿主，正常人體內(nèi)的微生物數(shù)量是人體細胞的10倍。在地球上，這些微生物已經(jīng)學會了如何與人體共生。但是在宇宙里，它們會不會發(fā)生變異，有害于人體呢？這是空間站微生物研究的一個重要方向。目前，空間站上的微生物污染研究和微生物對空間環(huán)境的反應(yīng)研究已經(jīng)取得了重大進展。

▲ 航天員在抽取微生物的DNA進行試驗

@動物學

國際空間站為研究微重力和空間環(huán)境對各種生物的影響提供了獨特的環(huán)境。嚙齒動物（大鼠和小鼠）是最常用的動物類型。一般來說，空間站成員組要在站內(nèi)停留180天或更長時間，而嚙齒類動物的壽命一般也不過只有3～4年。因此，把它們帶進空間站里生存，可以用來推斷其對人類在太空中長期生活的影響。

空間站科學家們一直在嘗試利用當前的技術(shù)，例如基因工程來研究小鼠在微重力環(huán)境下骨丟失的分子機制，然后嘗試藥物干預。美國宇航局還特別對動物生理系統(tǒng)是如何適應(yīng)太空飛行的感興趣。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)把一種奇怪的小魚送上了國際空間站。它叫做日本水母魚。其實這真的是一種脊索動物，而不是水母那種腔腸動物。水母魚的身體是完全透明的，所以科學家們能通過熒光觀察和活體成像，很容易地觀察到它的行為和生理變化。因此，科學家們經(jīng)常用它來做科學研究?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，水母魚的牙齒長在咽喉部位，成年水母魚的牙齒有數(shù)百顆。這個部位對重力比較敏感，在國際空間站上，科學家們發(fā)現(xiàn)這里出現(xiàn)了許多破骨細胞（分解骨組織的細胞）。

▲ 國際空間站上的老鼠培養(yǎng)器

▲ 國際空間站的微重力生命實驗室內(nèi)景

▲ 國際空間站上的小魚依然存活

▲ 水熊蟲在國際空間站上表現(xiàn)出了旺盛的生命力

與正常牙齒相比，水母魚在牙槽骨區(qū)的骨密度增加了約56%，在大腦、眼睛、肝臟和腸道的組織中發(fā)現(xiàn)了一些基因變化，腸道似乎對微重力最敏感。水母魚的游泳能力在微重力環(huán)境 下沒有受到很大影響。但是表現(xiàn)出了一些在地球上不會發(fā)生的奇特行為，如倒立、垂直，還會把自己卷成一個圈來游泳。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下，直到第33天的交配行為與地球上還沒有什么不同。到第47天，水母魚就懶得動了，表明肌肉運動發(fā)生了減少。

@植物學

空間植物生物學在過去四分之一個世紀的發(fā)展，極大地提高了我們對植物的認識：如何對重力做出反應(yīng)；為先進的植物生長設(shè)施的設(shè)計提供了信息；實現(xiàn)了完整的生命周期；并證明了生物生命支持所必需的生理過程是可持續(xù)的。在這一過程中，植物在微重力環(huán)境下的園藝技術(shù)正在發(fā)展，并探索了植物/微生物之間的相互作用。在幾十年的太空飛行實驗中取得的進展也讓我們發(fā)現(xiàn)了，目前我們關(guān)于重力和太空飛行環(huán)境對細胞、組織、整個植物群落的生物學作用還存在著認識上的重大差距。

▲ 國際空間站上的蔬菜培養(yǎng)箱

在這種情況下，國際空間站是一個獨特的平臺，在那里，重力降低可以用來探測和解剖植物的生物機制，以了解陸地生物如何對重力做出反應(yīng)。這一知識對于通過生物再生生命支持、利用植物和微生物群落來支持人類在太空中的安全和長期居住，以及通過設(shè)計解決與太空生活有關(guān)的問題對策來降低航天員的探索風險，都是很重要的。此外，通過使用帶有離心機的設(shè)施，科學家可以研究植物如何對月球和火星上重力降低的環(huán)境做出反應(yīng)。

人類研究

歷史證明人類有能力在太空中安全地生活和工作。國際空間站是擴展和維持人類活動的平臺，為長期的探索級任務(wù)做準備。它提供了機會，通過多學科的研究行動來解決有關(guān)航天員健康的關(guān)鍵醫(yī)學問題。

國際空間站目前正在進行的多學科生物醫(yī)學研究包括行為健康和表現(xiàn)、骨骼和肌肉生理學、運動對策、心血管生理學、營養(yǎng)學和免疫學。這些生命科學研究的目的是提供對微重力環(huán)境中發(fā)生的許多生理變化的透徹理解。人體發(fā)生的許多生理變化包括：著陸后易暈倒；由于微重力對眼睛和視神經(jīng)的有害影響而可能導致視力變化；血容量變化；心臟大小和容量減?。蛔藙莺瓦\動改變；有氧能力下降；肌肉緊張；睡眠困難；腎結(jié)石形成的風險增加；骨骼變?nèi)酢?/p>

這項研究的重點是航天員的健康和表現(xiàn)，以及制定對策，以保護航天員在長時間航行期間免受空間環(huán)境的影響，評估新技術(shù)以滿足未來探測任務(wù)的需要，并制定和驗證長期空間飛行任務(wù)的操作程序。

例如，美國宇航局開展了一項奇怪的雙胞胎試驗，把一對雙胞胎中的一人送進太空，另一人留在地球上。這項實驗并不是要研究傳說中的心靈感應(yīng)，而是用一天一地的兄弟作為對照，研究人體在適應(yīng)太空飛行環(huán)境時的彈性和魯棒性。

這項研究被認為是未來空間生物研究的基石，研究重點是人體內(nèi)的分子變化以及它們對航天員健康有什么影響，可能造成什么永久性改變。在實際中，進入太空的那一位在返回地球6個月后，體內(nèi)分子情況回到了地球上的正常水平。

人們通過對比，發(fā)現(xiàn)上天的那位雙胞胎發(fā)生了顯著的變化，包括染色變化、頸動脈擴張和眼部動脈壁增厚。這項研究目前還遠遠沒有到下結(jié)論的時候。不過有件事現(xiàn)在就能下結(jié)論，所謂雙胞胎心靈感應(yīng)這種事，只是傳說而已。

物理科學

國際空間站為開展微重力物理科學研究提供了一個長期的太空飛行環(huán)境。微重力環(huán)境大大減少了浮力驅(qū)動的對流、壓頭和流體沉淀。通過消除重力或?qū)⒅亓ψ鳛閷嶒炘O(shè)計的一個因素，國際空間站使物理科學家能夠更好地理解流體物理；界面動力學，例如液體和氣體之間的接觸線；完全或部分由粒子組成的系統(tǒng)的物理行為；無浮力對流下的燃燒過程和材料特性。

@流體物理學

流體是任何一種在外力作用下流動的物質(zhì)，因此，液體和氣體都是流體。幾乎所有的生命維持、環(huán)境和生物過程都發(fā)生在流體階段。流體運動在自然過程和人為過程中以及在所有生物體內(nèi)的運輸和混合過程中占了絕大多數(shù)。流體物理學是研究液體和氣體的運動以及與之相關(guān)的質(zhì)量、動量和能量傳輸?shù)膶W科。為了更好地理解流體的行為，我們建立了一個充滿活力、多學科的研究團體，基礎(chǔ)科學和應(yīng)用科學中不斷出現(xiàn)的新領(lǐng)域標志著其持續(xù)的活力。特別是，低重力環(huán)境為研究流體物理和輸運現(xiàn)象提供了獨特的機會。近乎失重的環(huán)境使研究人員能夠以地球上不可能的方式觀察和控制流體現(xiàn)象。

▲ 國際空間站上的流體實驗設(shè)施

在太空中進行的實驗取得了豐碩的成果。其中一些是出乎意料的且大多數(shù)是地球?qū)嶒炇覠o法觀測到的。這些結(jié)果為研究適用于陸地和空間環(huán)境的基本流體行為提供了有價值的見解。此外，推進系統(tǒng)和生命維持系統(tǒng)的流體管理和傳熱研究，為美國在太空探索方面的領(lǐng)導地位作出了巨大貢獻。

@燃燒

當燃料和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳、水和熱時，就會發(fā)生燃燒。在可預見的未來，陸地應(yīng)用中輸送的絕大多數(shù)能量將來自燃燒或其他化學反應(yīng)系統(tǒng)。這些能源用途涵蓋了從電力和運輸?shù)街苯优c交付材料相關(guān)的過程（如玻璃和鋼制造）。這些過程產(chǎn)生了目前人類面臨的一些最重要的環(huán)境危害（全球氣候變化、酸性氣體污染、煤造成的汞污染和野火）。

盡管燃燒過程是80多年來積極研究的主題，但燃燒過程仍然是控制最差的現(xiàn)象之一，對人類的健康、舒適和安全有著重大影響。這是因為最簡單的燃燒室（如廚房爐灶）仍然超出了我們詳細的數(shù)值模擬能力。燃燒過程通常涉及大量化學物質(zhì)（數(shù)百種）和反應(yīng)（甚至數(shù)千種）。正是這些物質(zhì)和反應(yīng)決定了可燃極限（燃燒室工作范圍）和污染物排放。許多燃燒研究都涉及到對這一復雜過程的全面和預測性定量理解。

國際空間站允許改變或消除重力的影響。通過這樣做，我們可以提取對理解燃燒系統(tǒng)很重要的基本數(shù)據(jù)。該方法已在現(xiàn)有的陸上減重力平臺上得到了一定程度的應(yīng)用，但實驗的時間尺度和規(guī)模有限。使用真實尺寸的長時間實驗對于全面了解燃燒現(xiàn)象至關(guān)重要，而且只有在空間設(shè)施提供的微重力環(huán)境中才有可能進行。

在地球上，由于引力的存在，燃燒會引起火焰附近空氣的對流和沉降。但是在微重力環(huán)境下，火焰會發(fā)生什么變化呢？這就是人們在國際空間站上開展的BASS-II（固體燃燒和抑制-II）試驗要解答的問題。

之所以要研究這個問題，并不是因為航天員要在飛船里燒烤，而是空間站里也要考慮消防問題。特別是在前往火星和深空的探索活動中，飛船上不可避免地要使用強電、高溫。消防問題能不能解決好，對航天員的安全意義重大。對火焰的更深刻理解，也能在地球上的消防和安全用火中起到很大作用。

研究期間，航天員對不同的固體航天器材料進行了測試，以了解它們?nèi)紵男?yīng)。在太空里，火焰也能將絕大多數(shù)氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳，但不同氣流條件下的不同燃料樣品，產(chǎn)生的一氧化碳與二氧化碳的比例也不同。事實上，大多數(shù)燃燒生成物中，一氧化碳與二氧化碳的比率比地球上的火焰要高得多。這表明，有些物質(zhì)在地球上燃燒后通常不會對人類健康構(gòu)成威脅，在太空中可能會產(chǎn)生嚴重的風險。

▲ 空間站上觀測到的火焰

@材料科學

大多數(shù)材料是由部分或全部流體樣品形成的，熱和質(zhì)量的傳遞固有地影響材料的形成及其合成特性。與重力有關(guān)的熱量和質(zhì)量傳輸源的減少可用于確定物質(zhì)形成過程如何受到重力驅(qū)動和重力獨立的熱質(zhì)傳遞源的影響。

地球與空間科學

近地軌道空間站的存在為收集地球和空間數(shù)據(jù)提供了有利條件。它可以從大約400公里的高度獲取冰川、農(nóng)田、城市和珊瑚礁等地面事物的信息。雖然用國際空間站來從事遙感活動的性價比遠不如無人的遙感衛(wèi)星，但它具有兩個獨特價值，首先是可以為一些新型遙感器提供有人照料的在軌測試平臺；其次，人類可以在軌道上直接觀察地球，能夠獲得更加直觀的感受和激發(fā)靈感。

航天員還可以根據(jù)要觀察的對象不同，靈活更換窗口觀測研究設(shè)施（WORF）的傳感器系統(tǒng)和有效載荷。這是衛(wèi)星很難做到的。

▲ 國際空間站上的瞭望臺是遙感地球的最好位置

▲ 國際空間站上看到的晨昏線

▲ 國際空間站上看到的歐洲夜景

▲ 國際空間站上看到的臺風

基礎(chǔ)物理

基礎(chǔ)物理的研究涉及空間、時間、能量和物質(zhì)的組成部分。現(xiàn)代物理學的基本理論是以愛因斯坦的相對論和粒子物理的標準模型為基礎(chǔ)的。然而，作為科學家，我們知道這些理論所描繪的圖景仍然不完整。愛因斯坦的萬有引力理論還沒有得到證實，它與在所有尺度上定義其他自然力的理論是一致的。此外，最近的天文觀測和宇宙學模型強烈地表明，暗物質(zhì)和暗能量，它們是沒有直接觀測到也根本不被理解的實體，在最大尺度上支配著這些相互作用。所有這些無法解釋的觀察和不一致之處都表明了發(fā)現(xiàn)新理論的潛力。國際空間站為長期微重力環(huán)境研究提供了一個現(xiàn)代化和設(shè)備齊全的軌道實驗室。對這種環(huán)境的常規(guī)和持續(xù)的訪問使得基礎(chǔ)物理研究可以從完全不同的角度進行。

國際空間站為一系列基礎(chǔ)物理實驗提供了一個獨特的空間實驗室，其規(guī)律和精度在地面上是無法實現(xiàn)的?？臻g環(huán)境用于實驗的一些優(yōu)勢包括：長時間暴露在軌道自由下落環(huán)境中、易于測量重力勢能和相對運動的變化、研究天體上極小的加速度、減少大氣對光和無線電信號傳播的干擾、能夠跟蹤和適應(yīng)天體軌道運動的長時間段。

▲ 國際空間站上的冷原子試驗設(shè)施

技術(shù)演示

國際空間站提供了一個能夠演示原型和系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，這些原型和系統(tǒng)可以為航天技術(shù)的研發(fā)提供條件?？臻g站、在軌機組人員、發(fā)射和返回飛行器以及操作控制中心都在支持演示未來探測任務(wù)所需的先進系統(tǒng)和作戰(zhàn)概念。

美國宇航局已經(jīng)確定了國際空間站能夠支持的11個探測技術(shù)領(lǐng)域：

空間推進，空間動力和能源，機器人技術(shù)、遠程機器人技術(shù)和自主系統(tǒng)，通信和導航，生命支持和居住系統(tǒng)，勘探目的地系統(tǒng)，科學儀器，進入、下降和著陸系統(tǒng)，材料結(jié)構(gòu)和制造，熱管理系統(tǒng)，操作流程和程序。

▲ 國際空間站上的維修區(qū)

國際空間站也會為一些新奇的人造物品開設(shè)試驗。例如意大利航天局（ASI）研制的便攜式3D打印機。在宇宙里進行3D打印的意義很大。國際空間站上也會遇到部件失靈、故障的問題，所以經(jīng)常要準備大量耗材、占用大量艙內(nèi)空間。有些無法備份的關(guān)鍵部件如果出現(xiàn)問題，就會影響國際空間站的正常運行。如果能采用3D打印來制造和修復一些部件，至少在收納空間上就能帶來大量節(jié)省，也提高了空間站的抗災能力。

意大利人的這次試驗并不是完美的，但是為人們提供了重要的數(shù)據(jù)，可以測量出3D打印樣品材料表面的粗糙度、密度和孔隙率以及內(nèi)部缺陷和機械性能，為進一步改進打印機和材料設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

商業(yè)開發(fā)

▲ 對接在國際空間站上的畢格羅充氣實驗艙

隨著國際空間站科學研究模式的成熟，商業(yè)化的研究活動也逐步開展起來。商業(yè)化研究的市場是由幾個目標驅(qū)動的。首先，空間科學研究可能創(chuàng)造出過去無法實現(xiàn)的全新市場。其次，空間站研究讓很多產(chǎn)業(yè)和企業(yè)得以參與太空活動，代表著巨大的經(jīng)濟機遇。第三，這不僅為未來的航天飛行，也為許多相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了強大的研發(fā)能力。