太空科學(xué)課（二十二）

太空熊貓君

2023年9月21日下午，“天宮課堂”第四課正式開講，神舟十六號(hào)乘組的航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在中國(guó)空間站里面向全國(guó)青少年進(jìn)行太空科普授課。這一次，我們來到了新教室——夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙。

同問天實(shí)驗(yàn)艙一樣，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙也是主要用于開展空間科學(xué)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的艙段。它的總長(zhǎng)約9.2米，直徑4.2米，整體密封艙容積近110立方米，可以為航天員提供約32立方米的活動(dòng)空間。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙采用由工作艙、載荷艙、貨物氣閘艙和資源艙組成四艙構(gòu)型，艙內(nèi)還設(shè)置了工作區(qū)、鍛煉區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)。如果說問天實(shí)驗(yàn)艙聚焦在生命科學(xué)研究上，那么夢(mèng)天艙則可用來開展更多領(lǐng)域、更多類型的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。夢(mèng)天艙艙內(nèi)提供13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的安裝空間，是中國(guó)空間站內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備最多的一個(gè)艙段。艙外提供37個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口，支持開展艙外實(shí)驗(yàn)，可以支持流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)等微重力物理科學(xué)的基礎(chǔ)研究，同時(shí)還能探究在軌制造、新型能源推進(jìn)這些工程技術(shù)領(lǐng)域的前沿問題。

航天員老師們首先為我們介紹了夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的工作生活場(chǎng)景。隨著中國(guó)空間站首位載荷專家桂海潮老師的指引，天宮課堂的畫面停留在一個(gè)類似劃船機(jī)的器械上，原來，這是航天員們的鍛煉器械，叫作抗阻鍛煉裝置。它可以幫助航天員實(shí)現(xiàn)深蹲、提踵、聳肩、硬拉、劃船等動(dòng)作進(jìn)行力量鍛煉，用以對(duì)抗肌力下降、肌肉萎縮等問題。

在平臺(tái)設(shè)備區(qū)，放置了很多支撐夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙正常運(yùn)行的設(shè)備，包括液冷回路、電池、測(cè)控儀器等，保證了夢(mèng)天艙舒適的工作環(huán)境，也為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行提供了必要的電、熱、氣的支持。

桂海潮還為我們展示了專用于貨物自動(dòng)進(jìn)出艙的貨物氣閘艙。它可以自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部的氣壓，實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)和1個(gè)大氣壓兩種環(huán)境之間的切換。當(dāng)內(nèi)部氣壓為1個(gè)大氣壓時(shí)，航天員們不用換艙外航天服、不需要出艙，只要把貨物放在氣閘艙內(nèi)部的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)上，隨著貨物氣閘艙關(guān)閉艙門、將氣壓降至真空狀態(tài)，通過與艙外機(jī)械臂的密切配合，就可以將貨物轉(zhuǎn)移到艙外。貨物氣閘艙甚至還可以釋放小型的衛(wèi)星呢！

接下來，航天員們?yōu)槲覀冋故玖藟?mèng)天艙的實(shí)驗(yàn)載荷區(qū)域。第一個(gè)出場(chǎng)的是兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜。它是國(guó)際首個(gè)專門用于開展空間相變界面流動(dòng)、蒸發(fā)與冷凝、沸騰和熱管傳熱、兩相流動(dòng)、空間在軌流體管理等科學(xué)研究與技術(shù)驗(yàn)證的整柜級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。什么是兩相系統(tǒng)呢？在我們的生活中，可以把所有物質(zhì)劃分成三種狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。而物質(zhì)的狀態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)換，將水燒開是液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的汽化過程，而將鐵水澆筑成鐵鍋是液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過程。兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜名字中的“兩相”，指的就是液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)。

兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜旁邊，部署的是高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜。通過組合不同特性的原子鐘，它能夠向地面、向太空發(fā)射極高精度、極高穩(wěn)定度的時(shí)間頻率信號(hào)。作為空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜擁有世界第一套由主動(dòng)氫原子鐘、冷原子銣鐘、冷原子光鐘組成的空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)，可以在50億年時(shí)間里將誤差控制在1秒以內(nèi)，是太空中最高精度的時(shí)間頻率系統(tǒng)。

高溫材料實(shí)驗(yàn)柜則是利用太空微重力條件開展太空微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要平臺(tái)，具有材料的高溫加熱、定向凝固、梯度生長(zhǎng)、快速冷卻、磁場(chǎng)攪拌、參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、實(shí)時(shí)觀察等功能，是我國(guó)最新一代的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置之一。柜中掛著很多細(xì)長(zhǎng)的陶瓷管，名叫安瓿（bù）。航天員形象地把高溫材料實(shí)驗(yàn)柜比作“太空煉丹爐”，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)柜內(nèi)溫度可高達(dá)1600攝氏度。 而第一批在“煉丹爐”里接受高溫考驗(yàn)制備的材料，已經(jīng)隨著神舟十五號(hào)航天員返回了地面，其中有一種材料具有非常好的柔性性能，可以任意彎曲、折疊，非常適合制作新型的晶體軟電子器件，有希望推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和升級(jí)換代。

說完了“煉丹爐”，我們?cè)賮砜纯词澜缟献罾涞牡胤健蔷褪强臻g站中的超冷原子實(shí)驗(yàn)柜。它可以制備出地面上無法實(shí)現(xiàn)的、溫度接近絕對(duì)零度的超低溫物質(zhì)。這種物質(zhì)的原子會(huì)呈現(xiàn)出肉眼可見的宏觀量子現(xiàn)象，可以幫助我們更好地探索量子力學(xué)的奇異世界。

超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜旁邊是流體物理實(shí)驗(yàn)柜。它利用微重力環(huán)境創(chuàng)造出了近乎理想的各項(xiàng)同性研究條件，可以用來開展空間流體動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜流體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在微重力環(huán)境中，流體會(huì)形成地面上無法構(gòu)建的新體系，表現(xiàn)出許多新規(guī)律、新機(jī)制。

這么多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，要是出現(xiàn)了故障怎么辦呢？科學(xué)家們可沒忘了這個(gè)問題，專門在空間站里設(shè)置了“太空維修工廠”——在線維修裝調(diào)操作柜。它具有超過360升的超大操作空間，配置了一款有七個(gè)自由度的小機(jī)械臂、一款VR眼鏡以及一個(gè)可移動(dòng)的維修平臺(tái)，可以幫助航天員們完成對(duì)載荷的裝配、維修、清潔等精細(xì)操作。

雖然空間站里是嚴(yán)格禁火的，但是這并不妨礙科學(xué)家們?cè)谔罩醒芯咳紵F(xiàn)象。他們?cè)谌紵茖W(xué)實(shí)驗(yàn)柜里就完成過在軌燃燒點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜可以實(shí)現(xiàn)燃燒的氣體供給、點(diǎn)火燃燒、圖像拍攝、廢氣排放等全自動(dòng)流程，能夠?qū)鹧娴男蚊?、結(jié)構(gòu)、溫度、速度、產(chǎn)物組分等信息進(jìn)行精細(xì)化的測(cè)量。

最后一個(gè)出場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)柜是航天基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)柜。目前它正在開展微藻的培養(yǎng)與孵化、液態(tài)金屬的空間熱管理等五個(gè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為什么要在太空里培養(yǎng)微藻呢？這是為了探索失重環(huán)境下微藻的產(chǎn)氧速率。這項(xiàng)研究可以幫助我們了解微藻制造氧氣的速率和哪些因素有關(guān)，進(jìn)而提高產(chǎn)氧效率。同時(shí)，航天員們也要探究微藻食品的原位加工技術(shù)，也就是如何在太空站將微藻直接加工成可供航天員食用的食品。試想一下，如果微藻可以提供充足的氧氣，并且可以為航天員提供足夠的食物，我國(guó)的航天員就可以不再需要來自地面的氧氣和食物供給啦！甚至可以開啟星際遠(yuǎn)航呢！