繞地飛行的太空實(shí)驗(yàn)

朱林崎

在中國空間站的3個(gè)艙中，載有許多用于開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)柜

?太空中的實(shí)驗(yàn)室，有什么特別之處？

2022年，隨著夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙完成對(duì)接，中國空間站由兩艙變成三艙，這也標(biāo)志著中國國家太空實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱太空實(shí)驗(yàn)室）正式建成。2023年，太空實(shí)驗(yàn)室正式運(yùn)行，目前已經(jīng)圓滿完成了上百項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，取得了許多令人矚目的成果。

航天員在空間站戴上“小紅帽”，進(jìn)行腦電測(cè)試實(shí)驗(yàn)（繪圖/駱玫）

不同于地球表面，太空實(shí)驗(yàn)室與眾不同的空間環(huán)境，使其具有一些特殊的特征：

微重力環(huán)境

在空間站，所有的物體都保持在接近完全失重的狀態(tài)，幾乎不受重力影響，這樣的環(huán)境即微重力環(huán)境。因此，微重力環(huán)境下的太空實(shí)驗(yàn)室，可以觀測(cè)到許多地面重力效應(yīng)掩蓋下的現(xiàn)象。

各種極端條件

空間站所處的極端條件包括極熱和極冷循環(huán)、高真空、原子氧侵蝕、太陽紫外輻射和宇宙高能射線輻射等。這些特殊環(huán)境在地面模擬起來成本較高，太空實(shí)驗(yàn)室就成了開展相應(yīng)研究的獨(dú)特資源。

例如，在空間站接收到的宇宙射線復(fù)雜程度非同一般，太空實(shí)驗(yàn)室因而具備開展輻射生物學(xué)等研究的有利條件，同時(shí)也是開展高能天文觀測(cè)和粒子天體物理研究的必要條件。

那么，太空實(shí)驗(yàn)室里都開展了哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?h3>“小紅帽”，大能力?

在太空實(shí)驗(yàn)室中，航天員戴上了一頂不同尋常的“小紅帽”。這頂“帽子”賦予他們神奇的能力——無需言語，無需動(dòng)作，僅僅通過思維就能給電腦下指令，操控各種設(shè)備。這聽起來像是從科幻電影中跳出來的情節(jié)，但其實(shí)，是在太空實(shí)驗(yàn)室開展的腦電測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

這頂“小紅帽”叫作腦電帽，里面嵌入了眾多微小的觸頭，它們像一群明察秋毫的小偵探，精準(zhǔn)捕捉大腦每一個(gè)微妙的波動(dòng)。通過將捕捉到的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的數(shù)據(jù)，就像解讀代碼一樣，就可以“讀懂”航天員的大腦活動(dòng)了！

太空，這個(gè)充滿未知的領(lǐng)域，對(duì)大腦活動(dòng)的影響仍是一個(gè)謎。認(rèn)知能力在太空是否會(huì)變?nèi)?？大腦如何自我調(diào)整以適應(yīng)極端環(huán)境？這些問題對(duì)于長期太空探索至關(guān)重要。“小紅帽”采集的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家了解航天員在太空環(huán)境中大腦的功能狀態(tài)，監(jiān)測(cè)他們是否感到疲憊，保障他們的身心健康，同時(shí)也為觀察大腦如何適應(yīng)太空環(huán)境提供了寶貴的視角。

?了解火焰，得上天！

地面上的火苗為什么是淚滴形的？

3000多年前，古人就用看火來形容觀察事物的透徹程度，即所謂的“洞若觀火”。但事實(shí)上，看似簡(jiǎn)單的火焰，其實(shí)是一場(chǎng)復(fù)雜的“表演”，依賴于流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等多種學(xué)科的結(jié)合，影響因素也非常多。

在地面上，當(dāng)你點(diǎn)燃一根蠟燭，它會(huì)舞動(dòng)著亮橘色淚滴形的火焰。這是因?yàn)椋鹧嫒紵龝r(shí)，周圍的空氣被加熱，重力這雙無形的“魔手”指揮著熱空氣上浮、冷空氣下沉，從而形成空氣對(duì)流，托著火焰向上延伸，于是呈現(xiàn)出淚滴形的火苗。

蠟燭在地面（左）和在太空（右）燃燒的火焰對(duì)比（來源/美國國家航空航天局）

太空環(huán)境中的火苗是什么樣的？

在太空中，微重力的環(huán)境導(dǎo)致重力效應(yīng)幾乎消失，火焰周圍也就難以產(chǎn)生對(duì)流，燃燒后的氣體向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)都一樣，使得火焰變成了一個(gè)球形的“矮胖子”；同時(shí)，由于燃燒過程更加穩(wěn)定和均勻，火焰也變成了藍(lán)色。

這個(gè)變化揭示了一個(gè)重要的科學(xué)道理，即：在地球上，火焰的一些特性被重力效應(yīng)所遮蓋，這使人們很難深入理解燃燒的本質(zhì)；而在太空環(huán)境中，重力效應(yīng)幾乎消失，科學(xué)家可以驗(yàn)證和發(fā)展地面無法觀測(cè)的燃燒現(xiàn)象及機(jī)理，并為如何在地球上提升燃燒效率和更好地節(jié)能減排提供新思路。同時(shí)，這樣的研究還有助于盡早發(fā)現(xiàn)航天器火災(zāi)隱患，開發(fā)更安全的太空滅火技術(shù)。

燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

為太空觀火設(shè)計(jì)的“慧眼”

為了揭開火焰的秘密，中國科學(xué)家給太空實(shí)驗(yàn)室量身定制了一個(gè)高科技裝置——燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜是個(gè)工作“多面手”，可以全自動(dòng)地進(jìn)行氣體、液體和固體各種燃料的燃燒實(shí)驗(yàn)；它還是個(gè)拍照達(dá)人，每秒能拍攝3000～5000張照片，是科學(xué)家觀察火焰的“慧眼”。

2023年2月，燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行了首次點(diǎn)火測(cè)試，先后兩次點(diǎn)火共持續(xù)約30秒，成功展示了它的能力。它的任務(wù)有很多，要完成10個(gè)研究計(jì)劃，共計(jì)79項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，可謂重任在肩！

航天員正在安裝空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置（來源/中國載人航天工程辦公室）

生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置（來源/中國載人航天工程辦公室）

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小小探險(xiǎn)家，解鎖太空生存密碼

2023年6月，一支特別的探險(xiǎn)“隊(duì)伍”被送往太空，開啟了不同凡響的太空之旅。這些“探險(xiǎn)家”被安排在特殊的艙外“觀景房”中，盡管這里能夠保障適宜的空氣和溫度條件，但這場(chǎng)旅行卻仍然危機(jī)四伏、險(xiǎn)象環(huán)生——強(qiáng)烈的宇宙輻射、飛馳的微流星體等，無一不是巨大的威脅。

這群“探險(xiǎn)家”是誰？它們?yōu)楹螘?huì)參加殘酷的“太空生存挑戰(zhàn)賽”？原來，它們是身長僅有1毫米、全身透明的線蟲。它們生存能力很強(qiáng)，且繁殖得快，在惡劣條件下能進(jìn)入休眠狀態(tài)，暫停發(fā)育和進(jìn)食，存活數(shù)月之久。更重要的是，線蟲對(duì)宇宙輻射和微重力的響應(yīng)，與人類及其他哺乳動(dòng)物有著驚人的相似性。因此，線蟲就成了太空輻射實(shí)驗(yàn)的“寵兒”。

這些線蟲身體中的組織系統(tǒng)都被熒光標(biāo)記，便于觀察其在太空的一舉一動(dòng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，中國科學(xué)家們首次揭示了線蟲如何在太空中生長發(fā)育，以及如何適應(yīng)極端輻射環(huán)境。5個(gè)半月后，這些線蟲帶著輻射損傷的印記歸來，為科研人員解鎖太空生存密碼提供了關(guān)鍵線索?？蒲腥藛T還篩選出抗輻射的藥物，成功緩解了線蟲受到的傷害。此次實(shí)驗(yàn)不僅是艙外輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)的首次嘗試，也為理解太空極端環(huán)境下的生命現(xiàn)象開辟了新的道路。

顯微鏡下的線蟲

太空實(shí)驗(yàn)室開啟了輝煌的序章，讓我們站在了探索未知世界的新起點(diǎn)上。未來10年，這里將開展近千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，涵蓋空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。讓我們一同期待，這個(gè)科學(xué)探索的奇跡“工坊”，引領(lǐng)我們走向更加燦爛的科學(xué)新紀(jì)元。

（責(zé)任編輯 / 代竹蕊? ? 美術(shù)編輯 / 韋英章）