國家太空實驗室將肩負哪些科學使命？｜新京報專欄

▲陳冬（中）、劉洋（右）、蔡旭哲3名航天員將執行神舟十四號載人飛行任務，由陳冬擔任指令長。圖/新華社

據報道，6月4日舉行的神舟十四號載人飛行任務新聞釋出會介紹，將瞄準北京時間6月5日10時44分，發射神舟十四號載人飛船。而在神舟十四號飛行任務期間，將全面完成以天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙為基本構型的天宮空間站建造，建成國家太空實驗室。

據瞭解，2022年底，我國將完成空間站的建造並投入執行。屆時，國內外科學家將利用空間站搭載的多套實驗裝置和測量裝置，在微重力、強輻射等太空環境條件下，開展科學實驗，驗證他們的奇思妙想，國家太空實驗室由此啟航。

即將建成的中國空間站包括天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙三個主要部分。這三個艙段均配備了多套科學實驗櫃，組成了太空實驗室的不同單元，用於開展航天醫學、空間生命科學與生物技術、微重力流體物理與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、航天新技術等科學實驗。

其中，核心艙是航天員生活和工作的主要場所，主要用於統一控制和管理空間站的各個組成部分，也可以開展少量科學研究。將於今年發射的兩個實驗艙，是未來國家太空實驗室的主體。那麼，即將建成的國家太空實驗室，具備哪些獨特的實驗條件，又有哪些科學實驗要在太空中開展呢？

跟地球上普通實驗室最大的不同就是，太空實驗室創造了長時間的微重力條件。

我們生活在地球表面，地球上的萬事萬物無不受到重力的影響。而重力對氣體和液體等流體的形態和物理化學性質產生的影響十分顯著。燒水時，水會沸騰，氣泡會上浮；水和油的混合物，在靜置時會發生分層，這些都是重力影響的結果。

這種重力效應，既能影響混凝土的凝固過程，改變建築物的受力狀況，也會影響藥物的提純、新材料的研製和高純度疫苗的生產。

甚至可以說，地球上的一切生命，包括動物、植物和微生物的生存、繁衍和進化，一直是適應重力的結果，也同樣對人類的生存、進化和健康，有著重要影響。比如，植物發芽時，會向上生長，向下紮根，而人在長時間站立時，血液會因為重力作用湧向腿部，腿腳便會浮腫。

空間站上的重力則只有地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種自然現象，創造了優越的實驗條件，讓一些被重力掩蓋的實驗現象開始顯現。

其中一個比較典型的例子就是燃燒。在太空中，火苗呈現球形，火勢也不會像地球上那樣快速蔓延，顯著不同於地球上看到的樣子。這是因為火焰周圍被加熱的空氣，不再因為密度的不同而產生對流。

與此同時，微重力環境還會影響一些基礎物理的實驗條件，讓科學家在更高的精度上開展實驗，驗證引力波、光速、時間等基礎理論。

太空中的微重力環境，對生物體及其各個組成部分的影響也十分顯著。我們只要搞清楚這種影響，就能探索一些疾病的機理，就能為人類適應太空環境、飛向更遙遠的深空做好準備。

▲神舟十四號載人飛行任務航天員與記者見面。圖/新華社

微重力之外，相對於強大的地球磁場，太空還具有弱磁場特點。由此產生的強烈太空輻射，對航天器、航天員和電子裝置帶來了危害，甚至會影響到航天器的執行安全。

但這些成分複雜、能量高低不同的宇宙射線和高能粒子，卻是地面難以模擬的。這有利於研究太空輻射對生物的影響，也是開展空間物理研究、高能天文觀測和粒子天體物理研究的必要條件。

空間站的艙外，是強烈的太陽紫外輻射和高能宇宙射線。真空中，由於太陽光照射和陰影遮擋，使實驗材料在高溫和極低溫的環境中快速冷熱交替。氧氣分子電離後產生的原子氧，對航天器的外層材料會產生顯著侵蝕。

為了研究這些複合環境條件產生的綜合效應，太空實驗室配備了艙外暴露實驗平臺，配置了多個標準載荷介面或大型載荷的掛點，以研究太空極端環境對材料、電子器件、生物體和組織器官的影響。

正是這種高真空、微重力、強輻射、劇烈溫差變化等多種環境條件複合在一起，創造了地面實驗室難以具備的獨特實驗條件。

目前，中國空間站的研究環境、應用資源，鼓勵研究的主要方向，可以提供的資訊支援和有效載荷的上下行支援等基本條件，均已向科學界公開發布。未來，中國空間站將持續在軌運營10年以上，國家太空實驗室也將在這10年時間裡，為我國開展多學科、系列化和長期的空間科學實驗，提供重要的歷史機遇。

值得一提的是，空間站執行的軌道遠離地球大氣層，處於電離層中的F2層，也是進行天文觀測理想場所。我國計劃於2024年發射的巡天光學艙，將與空間站伴飛，成為觀測宇宙的利器。

此外，中國空間站還面向青少年徵集了多輪科學實驗方案，以激發孩子們對科學的興趣，讓他們的創意在太空中開花結果。這無疑也是未來建成國家太空實驗室的意義之一。

撰稿 / 長橋（太空探索與科學教育專家、科普作家）

編輯 / 馬小龍

校對 / 盧茜