學(xué)生可提交科普實(shí)驗項目 科學(xué)家或飛天親手做實(shí)驗

 

　　中國太空實(shí)驗室接地氣

 

2018年珠海航展上展示的中國空間站核心艙模型。新華社發(fā)

 

 

　　中國空間站結構示意圖。中國載人航天工程辦公室官方網(wǎng)站

 

　　中國預計在2020年發(fā)射空間站核心艙，2022年左右發(fā)射實(shí)驗艙Ⅰ和實(shí)驗艙Ⅱ，之后把3個(gè)艙形成“T”字形構型，構成完整的空間站。預計空間站將從2022年之后開(kāi)始運行，在軌10年以上。

 

　　自從中國空間站計劃開(kāi)始實(shí)施以來(lái)，“我們去空間站干什么”就一直是大眾關(guān)心的問(wèn)題。其實(shí)，“做實(shí)驗”就是一項重要的任務(wù)——空間站將支撐大量科學(xué)研究和實(shí)驗。

 

　　之前，來(lái)自17個(gè)國家的9個(gè)項目成為中國空間站科學(xué)實(shí)驗首批國際合作項目?，F在，中國空間站面向國內公開(kāi)征集空間科學(xué)實(shí)驗和技術(shù)試驗項目活動(dòng)已開(kāi)始正式申報。

 

　　太空實(shí)驗有得天獨厚優(yōu)勢

 

　　太空環(huán)境非常復雜，那么，我們?yōu)槭裁匆谔罩凶鰧?shí)驗呢？這是因為利用載人航天開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，可以提供長(cháng)期的微重力實(shí)驗條件，揭示重力掩蓋下物質(zhì)的特殊規律。微重力環(huán)境下，很多物質(zhì)的規律會(huì )發(fā)生變化。比如，由重力引起的浮力對流基本消失，燃燒特性發(fā)生了變化，它只是一種擴散的燃燒。第二，航天員可以在軌進(jìn)行實(shí)驗操作、更換實(shí)驗設施和實(shí)驗設備，長(cháng)期開(kāi)展實(shí)驗。第三，在一定的軌道高度上，我們方便開(kāi)展天文觀(guān)測和地球觀(guān)測。在空間進(jìn)行觀(guān)測，天文望遠鏡不受大氣干擾?？臻g站約1.5個(gè)小時(shí)就能繞地球一圈，約每3天就可以把地球大部分陸地覆蓋了，可以開(kāi)展對地快速掃描和觀(guān)測。第四，可以通過(guò)天地往返將實(shí)驗樣品帶回地面，在地面上對樣品進(jìn)行長(cháng)期研究，取得新的發(fā)現。

 

　　關(guān)于太空實(shí)驗的價(jià)值，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)行了諸多探索。比如，歐洲牽頭開(kāi)展了在太空中飼養小鼠的研究，為期半年，通過(guò)在軌觀(guān)測來(lái)研究小鼠在太空微重力條件下的特征，并與地面研究結果進(jìn)行對比，看在太空生活對生命體的細胞、神經(jīng)系統乃至整個(gè)生命體究竟有什么影響，為人類(lèi)太空探測打下基礎。再比如，科學(xué)家在國際空間站開(kāi)展了微重力燃燒實(shí)驗，發(fā)現“冷焰”這種特殊現象，即火焰熄滅以后物質(zhì)仍在燃燒，也就是說(shuō)，在非常低的溫度條件下，燃燒并未停止。利用這種現象，可以提高發(fā)動(dòng)機的燃燒效率，特別是柴油發(fā)動(dòng)機，讓發(fā)動(dòng)機的污染排放量更小，對發(fā)動(dòng)機的設計改進(jìn)具有重要指導作用。

 

　　實(shí)驗條件先進(jìn)而豐富

 

　　中國空間站將是先進(jìn)的太空實(shí)驗室，能滿(mǎn)足多方面實(shí)驗需求。一方面，實(shí)驗艙內有大量的科學(xué)實(shí)驗柜，支持各個(gè)方向的艙內科學(xué)實(shí)驗，包括生命科學(xué)、流體科學(xué)、材料科學(xué)、基礎物理等。比如說(shuō)，在基礎物理方面，我們將安排一個(gè)超冷原子實(shí)驗柜，研究溫度在絕對零攝氏度附近的超冷原子氣體的一些特殊的物理規律。中國空間站有冷原子鐘高精度時(shí)頻系統，精度可達30億年誤差小于1秒，可以給導航等提供基準的頻率和時(shí)間信息。另一方面，在艙外有一些標準載荷的適配器，還有一些掛大型載荷的掛點(diǎn)，在艙外可以進(jìn)行天文觀(guān)測、地球觀(guān)測，空間物理等方面的研究。此外，通過(guò)航天員還可以對實(shí)驗條件進(jìn)行升級或者更換，可以開(kāi)展更多方面的實(shí)驗。

 

　　談到實(shí)驗條件，人們自然而然地會(huì )聯(lián)想到正在運行的國際空間站，與之相比，中國空間站的實(shí)驗條件怎樣呢？答案是“后來(lái)居上”。就實(shí)驗柜來(lái)說(shuō)，中國在設計和實(shí)驗參數方面都實(shí)現了提升，比如，擴展空間站材料實(shí)驗柜的加工溫度，國際空間站達到2000多攝氏度，中國的可達到3000攝氏度。

 

　　具備上述實(shí)驗條件無(wú)疑是非常不易的，就實(shí)驗柜的研制來(lái)說(shuō)就需要克服各種困難。首先是確?？煽啃院桶踩?。所有實(shí)驗設施不能對航天員的生活造成影響，不能有危險性的因素。比如，燃燒實(shí)驗必須做到可控，絕不能造成火災。其次，適用特殊的控制手段?？臻g站上的實(shí)驗大部分都是自主完成的，無(wú)論是樣品輸送、分析等實(shí)驗過(guò)程，還是觀(guān)測設備的定時(shí)定點(diǎn)觀(guān)測都需要開(kāi)發(fā)與地面不同的控制手段，難度之高，可以想見(jiàn)。比如，要在太空養小鼠，需要給它提供氧氣、水和食物，但是在太空里它是漂浮的，怎樣的設計讓它能夠吃到食物能夠喝到水？小鼠還要產(chǎn)生大量的糞便尿液，需要把這些廢物定點(diǎn)排出來(lái)。在一個(gè)小空間里，長(cháng)期(至少半年)解決這些問(wèn)題難度很高。

 

　　創(chuàng )新性可實(shí)現性至關(guān)重要

 

　　本次征集面向的是國內科學(xué)家。實(shí)驗項目包括十幾個(gè)研究方向，其中包括空間生命科學(xué)，在動(dòng)物、植物、微生物、細胞等方面進(jìn)行研究；流體科學(xué)，研究微重力流體下的一些特殊規律；開(kāi)展基礎物理、超冷原子物理的研究，認識超冷狀態(tài)下原子的規律。此外，利用艙外大型設施，進(jìn)行宇宙的觀(guān)測，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞、暗物質(zhì)等。

 

　　有意應征者要提高成功率，建議注意以下3個(gè)方面。一是提交的實(shí)驗必須滿(mǎn)足和空間的相關(guān)性，需要利用微重力條件或者是太空輻射等特殊條件。二是實(shí)驗的創(chuàng )新性和先進(jìn)性比較突出。比如，該類(lèi)實(shí)驗國際上沒(méi)有做過(guò)，或者是國際上做過(guò)但沒(méi)有做好，或者加入了原創(chuàng )性的新東西。三是實(shí)驗要具有可實(shí)現性。充分考慮現有裝置和實(shí)驗柜是否能夠滿(mǎn)足實(shí)驗條件要求，如果不能，能否研制出新實(shí)驗裝置。

 

　　實(shí)驗項目申報流程大致分成以下4個(gè)步驟。第一步是項目征集，目前，申報網(wǎng)站已經(jīng)開(kāi)通，接受網(wǎng)上申報；第二步是進(jìn)行形式審查，初步篩選出符合條件的項目。第三步是通訊評審，邀請同行內的專(zhuān)家來(lái)進(jìn)行同行評議；第四步是會(huì )議評審，組織各個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家對這些申報項目進(jìn)一步梳理。在此基礎上，形成項目立項建議。

 

　　如果是條件比較成熟的項目，我們就盡快安排立項程序；如果項目只是有很好的想法，我們可以進(jìn)行地面培育，進(jìn)行了足夠的研究之后再立項。本次征集將在今年8月31日結束，后期的評審和立項請關(guān)注中國載入航天官網(wǎng)發(fā)布的相關(guān)消息。

 

　　學(xué)生可申報科普實(shí)驗

 

　　值得注意的是，中國空間站征集的還有科普項目，大學(xué)生、高中生如果有好的想法，都可以進(jìn)行申報，并且可能在太空中得以實(shí)現。在這方面已有先例。天宮二號進(jìn)行的太空養蠶實(shí)驗項目就是由香港中學(xué)生提出的，該實(shí)驗取得豐碩成果，向全社會(huì )特別是廣大青少年進(jìn)行了非常好的科學(xué)知識普及，激發(fā)了他們探究宇宙的熱情。

 

　　由于環(huán)境的特殊性，空間站上的實(shí)驗操作通過(guò)3種方式進(jìn)行。一是由實(shí)驗裝置通過(guò)自動(dòng)化控制自主完成，大部分實(shí)驗是以這種方式來(lái)完成的。二是通過(guò)地面運行控制中心遙控控制實(shí)驗的操作，包括進(jìn)行參數調整或者設置等。三是由在軌的航天員來(lái)協(xié)助開(kāi)展，比如，更換批次樣品，或者完成生命科學(xué)實(shí)驗中的精細操作，進(jìn)行在軌觀(guān)察等?，F在有新型航天員，他們本身就是載荷專(zhuān)家，專(zhuān)門(mén)去太空開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗，在短期內就把相關(guān)的實(shí)驗批量完成。

 

　　對于有志于太空科學(xué)實(shí)驗的中國科學(xué)家來(lái)說(shuō)，中國空間站將為他們搭建前所未有的實(shí)驗平臺。他們提交空間實(shí)驗項目如果入選，如果身體過(guò)關(guān)的話(huà)，他們完全可以參加載荷專(zhuān)家選拔，有望在太空操作自己的實(shí)驗。

 

　　(作者為中國科學(xué)院空間應用中心應用發(fā)展中心主任)