建設(shè)國家太空實(shí)驗(yàn)室，將為我國舉辦多學(xué)科、系列化和常年的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，提供重要的歷史機(jī)遇。
▲陳冬（中）、劉洋（右）、蔡旭哲3名航天員將執(zhí)行神舟十四號(hào)載人飛行任務(wù)，由陳冬兼任指令長。圖/新華社
文|長橋
據(jù)報(bào)導(dǎo)，6月4日舉辦的神舟十四號(hào)載人飛行任務(wù)新聞發(fā)布會(huì)介紹，將瞄準(zhǔn)上海時(shí)間6月5日10時(shí)44分，發(fā)射神舟十四號(hào)載人飛船。而在神舟十四號(hào)飛行任務(wù)期間，將全面完成以天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙為基本構(gòu)象的天宮空間站建造，建成國家太空實(shí)驗(yàn)室。
據(jù)了解，2022年末，我國將完成空間站的建造并投入運(yùn)行。屆時(shí)，國外內(nèi)科學(xué)家將借助空間站搭載的多套實(shí)驗(yàn)設(shè)備和檢測裝置劉洋上太空做物理實(shí)驗(yàn)，在微重力、強(qiáng)幅射等太空環(huán)境條件下，舉辦科學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證她們的奇思妙想，國家太空實(shí)驗(yàn)室由此起航。
將要建成的中國空間站包括天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙三個(gè)主要部份。這三個(gè)艙段均配備了多套科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，組成了太空實(shí)驗(yàn)室的不同單元，用于舉辦航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體化學(xué)與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、航天新技術(shù)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
其中，核心艙是航天員生活和工作的主要場所，主要用于統(tǒng)一控制和管理空間站的各個(gè)組成部份，也可以舉辦少量科學(xué)研究。將于明年發(fā)射的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，是未來國家太空實(shí)驗(yàn)室的主體。這么，將要建成的國家太空實(shí)驗(yàn)室，具備什么獨(dú)到的實(shí)驗(yàn)條件，又有什么科學(xué)實(shí)驗(yàn)要在太空中舉辦呢？
探求微重力影響，為奔向更遙遠(yuǎn)的深空做打算
跟月球上普通實(shí)驗(yàn)室最大的不同就是，太空實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了長時(shí)間的微重力條件。
我們生活在月球表面，月球上的萬事萬物無不遭到重力的影響。而重力對二氧化碳和液體等流體的形態(tài)和數(shù)學(xué)物理性質(zhì)形成的影響非常明顯。煮飯時(shí)，水會(huì)沸騰，氣泡會(huì)下浮；水和油的混和物，在靜置時(shí)會(huì)發(fā)生分層，那些都是重力影響的結(jié)果。
這些重力效應(yīng)，既能影響混凝土的融化過程，改變建筑物的受力狀況，也會(huì)影響抗生素的提純、新材料的研發(fā)和高含量卡介苗的生產(chǎn)。
甚至可以說，月球上的一切生命，包括昆蟲、植物和微生物的生存、繁衍和進(jìn)化，仍然是適應(yīng)重力的結(jié)果，也同樣對人類的生存、進(jìn)化和健康，有著重要影響。例如，動(dòng)物出芽時(shí)，會(huì)向下生長，向上植根，而人在長時(shí)間躺臥時(shí)，血液會(huì)由于重力作用涌入頭部，四肢便會(huì)疼痛。
空間站上的重力則只有月球表面的千分之一到萬分之一。這為研究微重力條件下的各類自然現(xiàn)象，創(chuàng)造了優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件，讓一些被重力掩藏的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開始顯露。
其中一個(gè)比較典型的事例就是燃燒。在太空中，火苗呈現(xiàn)球狀，火勢也不會(huì)像月球上那樣快速漫延，明顯不同于月球上看見的樣子。這是由于火焰周圍被加熱的空氣，不再由于密度的不同而形成對流。
與此同時(shí)，微重力環(huán)境都會(huì)影響一些基礎(chǔ)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，讓科學(xué)家在更高的精度上舉辦實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證引力波、光速、時(shí)間等基礎(chǔ)理論。
太空中的微重力環(huán)境，對生物體及其各個(gè)組成部份的影響也非常明顯。我們只要認(rèn)清楚這些影響，能夠探求一些癌癥的機(jī)理，能夠?yàn)槿祟愡m應(yīng)太空環(huán)境、飛向更遙遠(yuǎn)的深空做好打算。
▲神舟十四號(hào)載人飛行任務(wù)航天員與記者碰面。圖/新華社
國家太空實(shí)驗(yàn)室，是我國空間科研的歷史機(jī)遇
微重力之外，相對于強(qiáng)悍的月球磁場，太空還具有弱磁場特性。由此形成的強(qiáng)烈太空幅射劉洋上太空做物理實(shí)驗(yàn)，對航天器、航天員和電子設(shè)備帶來了害處，甚至?xí)绊懙胶教炱鞯倪\(yùn)行安全。
但這種成份復(fù)雜、能量高低不同的宇宙射線和高能粒子，卻是地面無法模擬的。這有利于研究太空幅射對生物的影響，也是舉辦空間化學(xué)研究、高能天文觀測和粒子天體化學(xué)研究的必要條件。
空間站的艙外，是強(qiáng)烈的太陽紫外幅射和高能宇宙射線。真空中，因?yàn)樘柟庹丈浜完幱罢趽酰箤?shí)驗(yàn)材料在低溫和極高溫的環(huán)境中快速冷熱交替。氫氣分子電離后形成的原子氧，對航天器的內(nèi)層材料會(huì)形成明顯侵蝕。
為了研究這種復(fù)合環(huán)境條件形成的綜合效應(yīng)，太空實(shí)驗(yàn)室配備了艙外曝露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)荷載插口或小型荷載的掛點(diǎn)，以研究太空極端環(huán)境對材料、電子元件、生物體和組織臟器的影響。
正是這些高真空、微重力、強(qiáng)幅射、劇烈溫差變化等多種環(huán)境條件復(fù)合在一起，創(chuàng)造了地面實(shí)驗(yàn)室無法具備的奇特實(shí)驗(yàn)條件。
目前，中國空間站的研究環(huán)境、應(yīng)用資源，鼓勵(lì)研究的主要方向，可以提供的信息支持和有效荷載的上下行支持等基本條件，均已向科學(xué)界公開發(fā)布。未來，中國空間站將持續(xù)在軌營運(yùn)10年以上，國家太空實(shí)驗(yàn)室也將在這10年時(shí)間里，為我國舉辦多學(xué)科、系列化和常年的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，提供重要的歷史機(jī)遇。
值得一提的是，空間站運(yùn)行的軌道遠(yuǎn)離月球大氣層，處于電離層中的F2層，也是進(jìn)行天文觀測理想場所。我國計(jì)劃于2024年發(fā)射的巡天光學(xué)艙，將與空間站伴飛，成為觀測宇宙的神器。
據(jù)悉，中國空間站還面向中學(xué)生征集了多輪科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，以迸發(fā)小孩們對科學(xué)的興趣，讓她們的創(chuàng)意在太空中開花結(jié)果。這無疑也是未來建成國家太空實(shí)驗(yàn)室的意義之一。
撰稿/長橋（太空探求與科學(xué)教育專家、科普畫家）
編輯/馬小龍
校對/盧茜