人類，終將走出地球母親的懷抱，投向無垠太空。
在中國空間站全面建成兩周年之際，中國載人航天工程辦公室日前首次發(fā)布《中國空間站科學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展報(bào)告》（2024年）（以下簡稱《報(bào)告》），對兩年來中國空間站的科學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，集中回應(yīng)社會各界對中國空間站建設(shè)發(fā)展的關(guān)切期待。其中，在中國空間站開展的系列科技項(xiàng)目尤其引人矚目。本期，讓我們走進(jìn)中國空間站這座國家太空實(shí)驗(yàn)室，看看那些在太空開展的科學(xué)研究和應(yīng)用，究竟有何不一般？
不可多得的太空實(shí)驗(yàn)室
中國空間站由天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙組成，是我國獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的“太空之家”。這三個(gè)艙段均有獨(dú)立的電源、控制、推進(jìn)和測控系統(tǒng)。中國航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊宏院士介紹，通過交會對接和在軌平面轉(zhuǎn)位完成組裝建造，中國空間站與載人飛船、貨運(yùn)飛船等共同構(gòu)成百噸級載人空間站，利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合使用各航天器功能與資源。
這三個(gè)艙段各有何妙用？楊宏介紹，天和核心艙負(fù)責(zé)空間站的統(tǒng)一管理和控制；問天實(shí)驗(yàn)艙開展空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)，同時(shí)具有能源管理、信息管理、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關(guān)鍵功能備份；夢天實(shí)驗(yàn)艙主要開展空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)。
中國空間站的建成，標(biāo)志著我國獨(dú)立掌握了近地軌道大型航天器在軌組裝建造技術(shù)，具備了開展空間長期有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)（試）驗(yàn)的能力。目前，在中國空間站開展的首批空間科學(xué)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)展順利、成果豐碩，具有一定的前沿性和創(chuàng)新性。
《報(bào)告》顯示，目前，中國共規(guī)劃了空間生命與人體研究、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)用四大研究領(lǐng)域、32個(gè)研究主題。截至2024年12月1日，已在軌實(shí)施181項(xiàng)科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，上行近2噸科學(xué)物資，下行實(shí)驗(yàn)樣品近百種，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)超過300TB。這些成果全面展示了我國在空間科技領(lǐng)域的能力水平和創(chuàng)新精神，同時(shí)也為后續(xù)空間科學(xué)研究取得突破性科學(xué)機(jī)理認(rèn)知、加速成果轉(zhuǎn)化和取得廣闊應(yīng)用效益總結(jié)了有益經(jīng)驗(yàn)。
憑借長期微重力、宇宙輻射等獨(dú)特環(huán)境條件，以及航天員親身參與、天地往返運(yùn)輸?shù)韧怀鰞?yōu)勢，中國空間站已然成為一座彌足珍貴的國家太空實(shí)驗(yàn)室。
多個(gè)國內(nèi)外“首次”造福大眾
此次發(fā)布的《報(bào)告》從目前已下行樣品、取得研究數(shù)據(jù)、完成在軌實(shí)驗(yàn)、獲得突出進(jìn)展的科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目中，擇優(yōu)遴選了34項(xiàng)代表性科學(xué)研究與應(yīng)用成果予以介紹?？梢钥吹?，這些代表性成果，實(shí)現(xiàn)多個(gè)國內(nèi)外“首次”。
在空間生命科學(xué)與人體研究領(lǐng)域，中國科研團(tuán)隊(duì)完成了水稻“從種子到種子”的全生命周期空間培育，在國際上首次獲得空間發(fā)育的水稻和再生稻新的種質(zhì)資源，并在樣品返回地面后實(shí)現(xiàn)了大田種植，證明在空間站發(fā)育的水稻種子具有活力和繁殖能力。
在斑馬魚實(shí)驗(yàn)中，科研團(tuán)隊(duì)研制的空間水生生態(tài)系統(tǒng)在空間站穩(wěn)定運(yùn)行43天，實(shí)現(xiàn)了中國在太空培養(yǎng)脊椎動物的突破，獲得了國際上空間水生生態(tài)系統(tǒng)在軌運(yùn)行的最長紀(jì)錄?？茖W(xué)家還通過天地對比發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在軌出現(xiàn)背腹面顛倒游泳、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、轉(zhuǎn)圈等空間運(yùn)動行為異常現(xiàn)象。為后續(xù)利用斑馬魚作為動物模型進(jìn)行航天員空間健康研究建立了實(shí)驗(yàn)平臺，為未來構(gòu)建空間生態(tài)系統(tǒng)提供了良好的生物元件。
令人欣喜的是，利用生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜開展的空間微重力下的人胚胎干細(xì)胞的早期造血分化實(shí)驗(yàn)，首次在軌實(shí)現(xiàn)人多能干細(xì)胞分化出造血干細(xì)胞/前體細(xì)胞，揭示微重力通過影響整合素信號來促進(jìn)早期造血分化的分子機(jī)制，為解決地面人多能干細(xì)胞造血分化效率低的問題提供了新思路。
由于在太空微重力環(huán)境下，航天員可能會面臨骨丟失及肌肉萎縮的問題，科研人員針對長期失重導(dǎo)致骨丟失難題，在國際上首次分析了長期飛行航天員骨代謝影響糖脂代謝的規(guī)律及機(jī)制，自主研發(fā)出了骨丟失對抗儀等設(shè)施，通過短時(shí)、高頻、低幅的直接力刺激作用于下肢脛骨，有效促進(jìn)成骨細(xì)胞活性，抑制骨丟失，這些科研成果不僅服務(wù)于航天員在軌健康保障，也將應(yīng)用于大眾健康。
中國科研團(tuán)隊(duì)還將人工血管芯片送入太空，這是中國首個(gè)“太空器官芯片”研究項(xiàng)目，亦是國際上首次開展太空人體血管研究的器官芯片項(xiàng)目，為科學(xué)有效對抗航天員器官損傷和防護(hù)方法提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該項(xiàng)目的成功開展表明我國已具備在軌開展器官芯片相關(guān)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究的能力，將空間生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)從2D細(xì)胞提升到3D組織器官實(shí)驗(yàn)。
此外，空間站雙光子顯微鏡（基于雙光子效應(yīng)的原理而成像的顯微鏡）在國際上首次實(shí)現(xiàn)在軌正常運(yùn)行，突破了小型化、微重力適用性、抗振動沖擊等多項(xiàng)技術(shù)，獲取了航天員不同部位皮膚的高精度三維影像數(shù)據(jù)，在細(xì)胞和分子水平上在軌實(shí)時(shí)無創(chuàng)檢測了機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)信息，為航天員在軌健康監(jiān)測提供了新的基于雙光子顯微成像技術(shù)的方案。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
與此同時(shí)，中國科研團(tuán)隊(duì)利用燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜開展了微重力部分預(yù)混火焰的駐定、升舉及吹熄實(shí)驗(yàn)，在國際上首次揭示低流量部分預(yù)混火焰的升舉及吹熄特性，發(fā)現(xiàn)微重力部分預(yù)混火焰熄滅過程中的雙鉤狀結(jié)構(gòu)。有望推動我國在清潔燃燒、節(jié)能減排、空天推進(jìn)動力燃燒技術(shù)、火焰合成材料等方面的技術(shù)進(jìn)步。
聚焦微重力誘導(dǎo)心血管功能障礙的突出問題，科研團(tuán)隊(duì)開展了人尿液細(xì)胞重編程多能干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞的在軌研究，在國際上首次實(shí)現(xiàn)人心肌細(xì)胞鈣熒光信號在軌實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，獲得心肌細(xì)胞適應(yīng)性改變表型，解析代謝重塑調(diào)控心肌細(xì)胞微重力效應(yīng)分子機(jī)制。未來經(jīng)過充分評估和論證后，有望通過調(diào)控硫胺酸攝取和代謝改善航天員的微重力適應(yīng)性，加速太空飛行后心血管功能恢復(fù)，并有望在人體其他生理系統(tǒng)的微重力效應(yīng)中拓展應(yīng)用。
打開人類地外生存的探索之門
借助空間站強(qiáng)大的太空實(shí)驗(yàn)資源，空間站里對人類在地外長期生存的探索還有很多。
在微重力物理科學(xué)領(lǐng)域，中國科學(xué)家在國際上首次發(fā)現(xiàn)了低熱流密度下重力主導(dǎo)池沸騰傳熱性能的臨界值，且在重力主導(dǎo)下的傳熱性能隨重力提高不升反降，彌補(bǔ)了國際上關(guān)于重力連續(xù)變化時(shí)低熱流密度池沸騰傳熱過程中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺失，豐富了對池沸騰傳熱重力標(biāo)度行為的認(rèn)知，并為未來月球、火星探測等任務(wù)先進(jìn)熱控、流體管理技術(shù)研發(fā)提供指導(dǎo)。
《報(bào)告》還顯示，我國在國際上首次突破空間冷原子干涉陀螺技術(shù)，相關(guān)指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平，為發(fā)展中國空間量子慣性傳感技術(shù)奠定基礎(chǔ)。據(jù)介紹，空間量子慣性傳感技術(shù)有望應(yīng)用于引力波探測、暗物質(zhì)探測、重力衛(wèi)星、重力梯度衛(wèi)星等各項(xiàng)空間科學(xué)和應(yīng)用任務(wù)。
在空間新技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，我國在天舟五號貨運(yùn)飛船艙外完成了國內(nèi)首次空間氫氧燃料電池在軌實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了氫氧燃料電池在軌運(yùn)行的安全性和可靠性。這一成果可有效指導(dǎo)空間燃料電池的設(shè)計(jì)和研制，后續(xù)可應(yīng)用于月面駐留、移動等月面任務(wù)，也可應(yīng)用于深空探測及其他宇航高比能量供電任務(wù)，同時(shí)還能推廣應(yīng)用于水下等特殊應(yīng)用場景。
利用航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜提供的支撐資源，科研團(tuán)隊(duì)首次揭示了液態(tài)金屬管內(nèi)對流的層流—湍流轉(zhuǎn)捩特性，填補(bǔ)了過渡區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白，其在軌試驗(yàn)獲得的相關(guān)成果已應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域功率器件小型液態(tài)金屬散熱回路裝置的研發(fā)，有望實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬高效散熱技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用突破。
作為航天器電源系統(tǒng)新技術(shù)，斯特林熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、質(zhì)量輕、啟動快、振動小及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，是未來深空探測等不依賴太陽能的空間任務(wù)的技術(shù)路線，具有廣闊的應(yīng)用前景。中國科研團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首次開展了空間用百瓦級斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌驗(yàn)證應(yīng)用，效率（同等溫比條件下）等綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。解決了空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌應(yīng)用難題，提高自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的成熟度和空間適應(yīng)性，該驗(yàn)證成果為未來空間高效同位素電源等不完全依賴太陽能任務(wù)的能源技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，可應(yīng)用于月球科考站、木星系及太陽系邊際探測等任務(wù)，滿足我國未來空間任務(wù)對于先進(jìn)空間電源系統(tǒng)的迫切需求。
聚焦空間站內(nèi)微生物安全，中國科學(xué)家首次系統(tǒng)性開展空間微生物防控技術(shù)體系全鏈條在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。研制的國際首個(gè)高通量在軌微生物腐蝕試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了航天材料微生物腐蝕在軌評價(jià)，支撐了型號任務(wù)的航天器材料選型應(yīng)用。
值得關(guān)注的是，空間微藻培養(yǎng)與熟化關(guān)鍵技術(shù)研究首次利用靶向加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間液態(tài)微藻由“生”變“熟”，為太空長期駐留及特殊場景下的食物供給提供了新的技術(shù)方案?？蒲袌F(tuán)隊(duì)成功研制了適用于微重力環(huán)境的微波熟化模塊，成功實(shí)現(xiàn)了空間培養(yǎng)微藻的在軌原位熟化過程。科學(xué)家還通過分析返回樣品的生理特性及多組學(xué)特征，評估了空間生長微藻與地面培養(yǎng)微藻在熟化前后的功能和營養(yǎng)變化，證實(shí)了其作為空間食物資源的安全性。
另據(jù)介紹，中國空間站將在今后10年到15年的運(yùn)營中陸續(xù)開展千余項(xiàng)研究，積極開展科學(xué)普及和國際合作，廣泛凝聚國內(nèi)外高水平科學(xué)團(tuán)隊(duì)。這些精心挑選的高水平科學(xué)研究項(xiàng)目將促進(jìn)我國空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的快速發(fā)展，也將為推動科技強(qiáng)國、航天強(qiáng)國建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。
