問天實驗艙的科學(xué)實驗柜都有什么用

□文/李忠東

問天實驗艙

2022 年7 月24 日14 時22 分，中國空間站問天實驗艙在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學(xué)實驗艙。

7 月25 日3 時13 分，問天實驗艙成功對接天和核心艙前向端口，整個交會對接過程歷時約13 小時。這是我國空間站第一次在有人的狀態(tài)下進(jìn)行的交會對接。7 月25 日10 時03 分，“神舟十四號”航天員乘組成功開啟問天實驗艙艙門，順利進(jìn)入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進(jìn)入科學(xué)實驗艙。

刷新紀(jì)錄振奮人心

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

問天實驗艙是中國空間站的重要組成部分，同時也是保證空間站正常運行最重要的能源供應(yīng)者，具備更強的超萬瓦級的供電能力、千兆級的信息傳輸能力。它由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，配置了3個睡眠區(qū)、1 個衛(wèi)生區(qū)、廚房等設(shè)施，主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展較大規(guī)模的密封艙內(nèi)、艙外空間科學(xué)實驗。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，問天實驗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，作為天和核心艙的備份，問天實驗艙還具備對空間站組合體的管理和控制功能。也就是說，在核心艙平臺功能出現(xiàn)故障的情況下，它可以接管對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。

作為航天員未來在空間站內(nèi)進(jìn)行空間生命科學(xué)研究的主要基地，問天實驗艙的工作艙也更為寬敞，首次采用國際先進(jìn)的科學(xué)實驗柜來建造大型實驗設(shè)施。這些實驗柜基本構(gòu)型一樣，高1.8 米，寬1.1 米，深0.9 米，對外接口統(tǒng)一。每臺實驗柜都是一個小型的太空實驗室，能通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，或者提供變重力模擬，開展不同重力條件下生物體生長機(jī)理的對比研究，幫助航天員開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、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)

問天實驗艙要進(jìn)行的太空生命科學(xué)實驗包括10 多個研究主題，非常值得期待。其中生命生態(tài)實驗柜和生物技術(shù)實驗柜由中國科學(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)實驗柜由多個通用生物培養(yǎng)模塊、小型受控生命生態(tài)實驗?zāi)K、微生物監(jiān)測模塊和一臺離心機(jī)組成，支持在微重力和空間輻射環(huán)境下開展如生物個體（植物、小型動物等）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。特別是針對小型生物在太空中的生長發(fā)育，開展物質(zhì)、能量閉環(huán)循環(huán)研究，為未來建立地外基地生態(tài)系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，提供理論基礎(chǔ)。這也是我國首次嘗試在太空建立封閉生態(tài)系統(tǒng)。

生命生態(tài)實驗柜還給擬南芥和斑馬魚留了“座位”。通過實驗，有望揭示微重力對生物個體生長、發(fā)育、代謝的影響，促進(jìn)人類對生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解，為航天員在軌輻射損傷評估、防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

生命生態(tài)實驗柜最大的亮點就是“通用”。要探究這些“微觀”世界，少不了顯微鏡。一個“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，正是該實驗柜得以“通用”的奧秘所在。這個顯微鏡還能實現(xiàn)自動尋的拍攝，減少航天員的手動聚焦，實現(xiàn)天地協(xié)同工作。

在生命生態(tài)實驗中，科學(xué)家將搭建一個由藻類、水草和斑馬魚組成的極簡版小型水生生態(tài)系統(tǒng)，形成物質(zhì)、能量的閉環(huán)循環(huán)。這個小魚缸內(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)，為未來深空探測、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。實驗柜可根據(jù)地面指令自動供氧、供水，并與其他實驗柜開展協(xié)同實驗，在“服役”期間不斷升級，可謂功能強大。

生命生態(tài)實驗柜

“細(xì)胞公寓”神秘奇特

生物技術(shù)實驗柜主要由細(xì)胞組織培養(yǎng)模塊、蛋白質(zhì)結(jié)晶模塊、專用實驗裝置等模塊組成，可同時支持72 個實驗單元、36 種實驗。它就像是一棟“細(xì)胞公寓”，擁有幾十間“精裝修”的實驗單元，可完成從蛋白質(zhì)、細(xì)胞到組織、器官的多種實驗。人類無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、強輻射的空間站環(huán)境可以為人類提供一個類似原始地球的環(huán)境。

研究團(tuán)隊在“細(xì)胞公寓”中精心安排了“酒店式服務(wù)”，對每個“房間”進(jìn)行環(huán)境保障、精細(xì)觀察、場景檢測等操作。由于目前我國空間站上的實驗需依靠航天員進(jìn)行操作，起到穿針引線的作用，所以在專業(yè)的生物學(xué)家進(jìn)駐空間站之前，對于裝置的安全性要求更高，操作性的設(shè)計也要求簡便。

生物技術(shù)實驗柜自動、可控、可更換，航天員只需要在實驗前放入樣品，在實驗結(jié)束后取出樣品，在軌勞動強度大大降低。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驗室中體積較大的一些顯微鏡設(shè)計成“迷你版”復(fù)合型顯微鏡，裝入實驗柜中。單元操作簡便但是可靠，里邊主要是儲存多種液體，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，它們就能自動巡檢、對焦，找到細(xì)胞位置，并記錄下一個個珍貴而關(guān)鍵的實驗瞬間，其技術(shù)指標(biāo)與國際空間站的商用設(shè)備相當(dāng)，但功能更強大，耗能也更少。

生物技術(shù)實驗柜

其他裝置也很給力

除了生命生態(tài)實驗柜和生物技術(shù)實驗柜，問天實驗艙還攜帶了哪些實驗柜呢？

科學(xué)實驗往往需要進(jìn)行對照比較，因此需要在同一空間環(huán)境中模擬不同重力，以對其重力效應(yīng)和響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究。為了模擬不同的重力，問天實驗艙還攜帶了中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究的變重力科學(xué)實驗柜。變重力科學(xué)實驗柜主要由兩個離心機(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，支持開展模擬月球重力、火星重力下的科學(xué)研究，支持開展不同重力條件下生物體生長機(jī)理的對比研究。

與地面實驗室一樣，密閉潔凈的操作空間在太空科學(xué)實驗中也必不可少，超凈工作臺是最常見的設(shè)備之一。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)的科學(xué)手套箱輕巧、寬敞、結(jié)實，配置靈巧的機(jī)械臂，支持各類科學(xué)實驗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5 微米。有了科學(xué)手套箱的幫助，航天員能輕松地開展精細(xì)操作或重復(fù)操作各種復(fù)雜的科學(xué)實驗，如基因注射、細(xì)胞核提取、染色體切割等。操作完成后，機(jī)械臂還會自動把科學(xué)手套箱打掃干凈。考慮到實驗艙將在軌運行多年，為了適應(yīng)將來在軌科學(xué)實驗不斷升級的需求，科學(xué)手套箱還配置了多類可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)接口，為日后更新提供強大支撐。

科學(xué)手套箱與低溫存儲柜

低溫存儲裝置由中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所等研發(fā)，是我國首臺“太空冰箱”，集成了3 個冷凍冷藏區(qū)，既可以對樣品進(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要求。由于低溫存儲裝置與科學(xué)手套箱疊放在一起，為了使兩臺設(shè)備運行時互不干擾，科研人員進(jìn)行了大量測試與優(yōu)化，解決了震動、噪聲、釋氣等一系列問題，使它們能夠“珠聯(lián)璧合”。

在問天實驗艙的氣閘艙和資源艙外，配置了多個暴露應(yīng)用載荷接口，具有較強的艙外應(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、對地觀測等領(lǐng)域的一些科學(xué)實驗載荷，以及衛(wèi)星平臺等航天器新技術(shù)領(lǐng)域的試驗載荷，需要在艙外環(huán)境中實施開展。這些載荷可以通過標(biāo)準(zhǔn)適配接口，安裝在暴露實驗平臺上。

此外，問天實驗艙還在艙外部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，用于獲取空間質(zhì)子、電子、中子、重離子和等離子體等環(huán)境要素數(shù)據(jù)。

“問天”之后還有亮點

今年，我國還將發(fā)射夢天實驗艙，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)科方向的實驗柜。同時，在“天宮二號”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)確度最高的時間頻率系統(tǒng)，開展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量等前沿科學(xué)研究。

變重力科學(xué)實驗柜

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

中國不是有“天眼”FAST 嗎，為啥還要發(fā)射巡天望遠(yuǎn)鏡？那是因為這兩種望遠(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線電波，從而研究宇宙當(dāng)中的致密天體，如脈沖星以及無線電波段的天體，這些天體在可見光波段是看不見的。而巡天望遠(yuǎn)鏡屬于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它將幫助天文學(xué)家觀測超過10億個星系。