學(xué)生可提交科普實驗項目 科學(xué)家或飛天親手做實驗

 

　　中國太空實驗室接地氣

 

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(jié)構(gòu)示意圖。中國載人航天工程辦公室官方網(wǎng)站

 

　　中國預(yù)計在2020年發(fā)射空間站核心艙，2022年左右發(fā)射實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，之后把3個艙形成“T”字形構(gòu)型，構(gòu)成完整的空間站。預(yù)計空間站將從2022年之后開始運行，在軌10年以上。

 

　　自從中國空間站計劃開始實施以來，“我們?nèi)タ臻g站干什么”就一直是大眾關(guān)心的問題。其實，“做實驗”就是一項重要的任務(wù)——空間站將支撐大量科學(xué)研究和實驗。

 

　　之前，來自17個國家的9個項目成為中國空間站科學(xué)實驗首批國際合作項目?，F(xiàn)在，中國空間站面向國內(nèi)公開征集空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗項目活動已開始正式申報。

 

　　太空實驗有得天獨厚優(yōu)勢

 

　　太空環(huán)境非常復(fù)雜，那么，我們?yōu)槭裁匆谔罩凶鰧嶒災(zāi)?？這是因為利用載人航天開展科學(xué)實驗有很多優(yōu)點。第一，可以提供長期的微重力實驗條件，揭示重力掩蓋下物質(zhì)的特殊規(guī)律。微重力環(huán)境下，很多物質(zhì)的規(guī)律會發(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(kuò)散的燃燒。第二，航天員可以在軌進(jìn)行實驗操作、更換實驗設(shè)施和實驗設(shè)備，長期開展實驗。第三，在一定的軌道高度上，我們方便開展天文觀測和地球觀測。在空間進(jìn)行觀測，天文望遠(yuǎn)鏡不受大氣干擾?？臻g站約1.5個小時就能繞地球一圈，約每3天就可以把地球大部分陸地覆蓋了，可以開展對地快速掃描和觀測。第四，可以通過天地往返將實驗樣品帶回地面，在地面上對樣品進(jìn)行長期研究，取得新的發(fā)現(xiàn)。

 

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

 

　　實驗條件先進(jìn)而豐富

 

　　中國空間站將是先進(jìn)的太空實驗室，能滿足多方面實驗需求。一方面，實驗艙內(nèi)有大量的科學(xué)實驗柜，支持各個方向的艙內(nèi)科學(xué)實驗，包括生命科學(xué)、流體科學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理等。比如說，在基礎(chǔ)物理方面，我們將安排一個超冷原子實驗柜，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(guī)律。中國空間站有冷原子鐘高精度時頻系統(tǒng)，精度可達(dá)30億年誤差小于1秒，可以給導(dǎo)航等提供基準(zhǔn)的頻率和時間信息。另一方面，在艙外有一些標(biāo)準(zhǔn)載荷的適配器，還有一些掛大型載荷的掛點，在艙外可以進(jìn)行天文觀測、地球觀測，空間物理等方面的研究。此外，通過航天員還可以對實驗條件進(jìn)行升級或者更換，可以開展更多方面的實驗。

 

　　談到實驗條件，人們自然而然地會聯(lián)想到正在運行的國際空間站，與之相比，中國空間站的實驗條件怎樣呢？答案是“后來居上”。就實驗柜來說，中國在設(shè)計和實驗參數(shù)方面都實現(xiàn)了提升，比如，擴(kuò)展空間站材料實驗柜的加工溫度，國際空間站達(dá)到2000多攝氏度，中國的可達(dá)到3000攝氏度。

 

　　具備上述實驗條件無疑是非常不易的，就實驗柜的研制來說就需要克服各種困難。首先是確?？煽啃院桶踩?。所有實驗設(shè)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，燃燒實驗必須做到可控，絕不能造成火災(zāi)。其次，適用特殊的控制手段?？臻g站上的實驗大部分都是自主完成的，無論是樣品輸送、分析等實驗過程，還是觀測設(shè)備的定時定點觀測都需要開發(fā)與地面不同的控制手段，難度之高，可以想見。比如，要在太空養(yǎng)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(shè)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排出來。在一個小空間里，長期(至少半年)解決這些問題難度很高。

 

　　創(chuàng)新性可實現(xiàn)性至關(guān)重要

 

　　本次征集面向的是國內(nèi)科學(xué)家。實驗項目包括十幾個研究方向，其中包括空間生命科學(xué)，在動物、植物、微生物、細(xì)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(guī)律；開展基礎(chǔ)物理、超冷原子物理的研究，認(rèn)識超冷狀態(tài)下原子的規(guī)律。此外，利用艙外大型設(shè)施，進(jìn)行宇宙的觀測，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞、暗物質(zhì)等。

 

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

 

　　實驗項目申報流程大致分成以下4個步驟。第一步是項目征集，目前，申報網(wǎng)站已經(jīng)開通，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(nèi)的專家來進(jìn)行同行評議；第四步是會議評審，組織各個領(lǐng)域的專家對這些申報項目進(jìn)一步梳理。在此基礎(chǔ)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(jié)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現(xiàn)。在這方面已有先例。天宮二號進(jìn)行的太空養(yǎng)蠶實驗項目就是由香港中學(xué)生提出的，該實驗取得豐碩成果，向全社會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，空間站上的實驗操作通過3種方式進(jìn)行。一是由實驗裝置通過自動化控制自主完成，大部分實驗是以這種方式來完成的。二是通過地面運行控制中心遙控控制實驗的操作，包括進(jìn)行參數(shù)調(diào)整或者設(shè)置等。三是由在軌的航天員來協(xié)助開展，比如，更換批次樣品，或者完成生命科學(xué)實驗中的精細(xì)操作，進(jìn)行在軌觀察等?，F(xiàn)在有新型航天員，他們本身就是載荷專家，專門去太空開展科學(xué)實驗，在短期內(nèi)就把相關(guān)的實驗批量完成。

 

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

 

　　(作者為中國科學(xué)院空間應(yīng)用中心應(yīng)用發(fā)展中心主任)