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国家空间实验室将承担哪些科学任务北京新闻专栏

陈冬(中)、刘洋(右)、蔡旭哲3名航天员将执行神舟十四号载人飞行任务,由陈冬担任指令长。图/新华社

据报道,6月4日举行的神舟十四号载人飞行任务新闻发布会介绍,将瞄准北京时间6月5日10时44分,发射神舟十四号载人飞船。而在神舟十四号飞行任务期间,将全面完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的天宫空间站建造,建成国家太空实验室。

据了解,2022年底,我国将完成空间站的建造并投入运行。届时,国内外科学家将利用空间站搭载的多套实验设备和测量装置,在微重力、强辐射等太空环境条件下,开展科学实验,验证他们的奇思妙想,国家太空实验室由此启航。

即将建成的中国空间站包括天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱三个主要部分。这三个舱段均配备了多套科学实验柜,组成了太空实验室的不同单元,用于开展航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、航天新技术等科学实验。

其中,核心舱是航天员生活和工作的主要场所,主要用于统一控制和管理空间站的各个组成部分,也可以开展少量科学研究。将于今年发射的两个实验舱,是未来国家太空实验室的主体。那么,即将建成的国家太空实验室,具备哪些独特的实验条件,又有哪些科学实验要在太空中开展呢?

探索微重力影响,为飞向更遥远的深空做准备

跟地球上普通实验室最大的不同就是,太空实验室创造了长时间的微重力条件。

我们生活在地球表面,地球上的万事万物无不受到重力的影响。而重力对气体和液体等流体的形态和物理化学性质产生的影响十分显著。烧水时,水会沸腾,气泡会上浮;水和油的混合物,在静置时会发生分层,这些都是重力影响的结果。

这种重力效应,既能影响混凝土的凝固过程,改变建筑物的受力状况,也会影响药物的提纯、新材料的研制和高纯度疫苗的生产。

甚至可以说,地球上的一切生命,包括动物、植物和微生物的生存、繁衍和进化,一直是适应重力的结果,也同样对人类的生存、进化和健康,有着重要影响。比如,植物发芽时,会向上生长,向下扎根,而人在长时间站立时,血液会因为重力作用涌向腿部,腿脚便会浮肿。

空间站上的重力则只有地球表面的千分之一到万分之一。这为研究微重力条件下的各种自然现象,创造了优越的实验条件,让一些被重力掩盖的实验现象开始显现。

其中一个比较典型的例子就是燃烧。在太空中,火苗呈现球形,火势也不会像地球上那样快速蔓延,显著不同于地球上看到的样子。这是因为火焰周围被加热的空气,不再因为密度的不同而产生对流。

与此同时,微重力环境还会影响一些基础物理的实验条件,让科学家在更高的精度上开展实验,验证引力波、光速、时间等基础理论。

太空中的微重力环境,对生物体及其各个组成部分的影响也十分显著。我们只要搞清楚这种影响,就能探索一些疾病的机理,就能为人类适应太空环境、飞向更遥远的深空做好准备。

神舟十四号载人飞行任务航天员与记者见面。图/新华社

国家太空实验室,是我国空间科研的历史机遇

微重力之外,相对于强大的地球磁场,太空还具有弱磁场特点。由此产生的强烈太空辐射,对航天器、航天员和电子设备带来了危害,甚至会影响到航天器的运行安全。

但这些成分复杂、能量高低不同的宇宙射线和高能粒子,却是地面难以模拟的。这有利于研究太空辐射对生物的影响,也是开展空间物理研究、高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件。

空间站的舱外,是强烈的太阳紫外辐射和高能宇宙射线。真空中,由于太阳光照射和阴影遮挡,使实验材料在高温和极低温的环境中快速冷热交替。氧气分子电离后产生的原子氧,对航天器的外层材料会产生显著侵蚀。

为了研究这些复合环境条件产生的综合效应,太空实验室配备了舱外暴露实验平台,配置了多个标准载荷接口或大型载荷的挂点,以研究太空极端环境对材料、电子器件、生物体和组织器官的影响。

正是这种高真空、微重力、强辐射、剧烈温差变化等多种环境条件复合在一起,创造了地面实验室难以具备的独特实验条件。

目前,中国空间站的研究环境、应用资源,鼓励研究的主要方向,可以提供的信息支持和有效载荷的上下行支持等基本条件,均已向科学界公开发布。未来,中国空间站将持续在轨运营10年以上,国家太空实验室也将在这10年时间里,为我国开展多学科、系列化和长期的空间科学实验,提供重要的历史机遇。

值得一提的是,空间站运行的轨道远离地球大气层,处于电离层中的F2层,也是进行天文观测理想场所。我国计划于2024年发射的巡天光学舱,将与空间站伴飞,成为观测宇宙的利器。

此外,中国空间站还面向青少年征集了多轮科学实验方案,以激发孩子们对科学的兴趣,让他们的创意在太空中开花结果。这无疑也是未来建成国家太空实验室的意义之一。

撰稿 / 长桥(太空探索与科学教育专家、科普作家)

编辑 / 马小龙

校对 / 卢茜

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