问天实验舱的科学实验柜都有什么用

□文/李忠东

问天实验舱

2022 年7 月24 日14 时22 分，中国空间站问天实验舱在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道。问天实验舱是中国空间站第二个舱段，也是首个科学实验舱。

7 月25 日3 时13 分，问天实验舱成功对接天和核心舱前向端口，整个交会对接过程历时约13 小时。这是我国空间站第一次在有人的状态下进行的交会对接。7 月25 日10 时03 分，“神舟十四号”航天员乘组成功开启问天实验舱舱门，顺利进入问天实验舱。这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。

刷新纪录振奋人心

与天和核心舱相比，问天实验舱更重、更大。它全长17.9 米，最大直径4.2 米，发射质量23 吨，无论是长度还是质量，都创下了单体载人航天器的历史纪录。

问天实验舱是中国空间站的重要组成部分，同时也是保证空间站正常运行最重要的能源供应者，具备更强的超万瓦级的供电能力、千兆级的信息传输能力。它由工作舱、气闸舱和资源舱组成，配置了3个睡眠区、1 个卫生区、厨房等设施，主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展较大规模的密封舱内、舱外空间科学实验。它可以与天和核心舱一起，支持两艘载人飞船轮换期间6 名航天员的生活保障。

空间站建成后，问天实验舱的气闸舱将作为航天员进行舱外作业的主要出舱口。与此同时，作为天和核心舱的备份，问天实验舱还具备对空间站组合体的管理和控制功能。也就是说，在核心舱平台功能出现故障的情况下，它可以接管对空间站组合体的操作，进而从整体上提高了空间站的可靠性。

作为航天员未来在空间站内进行空间生命科学研究的主要基地，问天实验舱的工作舱也更为宽敞，首次采用国际先进的科学实验柜来建造大型实验设施。这些实验柜基本构型一样，高1.8 米，宽1.1 米，深0.9 米，对外接口统一。每台实验柜都是一个小型的太空实验室，能通过可见光、荧光、显微成像等多种在线检测手段，支持分子、细胞、组织、器官等多层次生物实验研究，或者提供变重力模拟，开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究，帮助航天员开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究。

建立太空生态系统

问天实验舱要进行的太空生命科学实验包括10 多个研究主题，非常值得期待。其中生命生态实验柜和生物技术实验柜由中国科学院上海技术物理研究所研制，十分引人注目。

生命生态实验柜由多个通用生物培养模块、小型受控生命生态实验模块、微生物监测模块和一台离心机组成，支持在微重力和空间辐射环境下开展如生物个体（植物、小型动物等）效应、空间辐射学、生命生态支持系统基础、生命起源机理等主题的研究。特别是针对小型生物在太空中的生长发育，开展物质、能量闭环循环研究，为未来建立地外基地生态系统收集数据，提供理论基础。这也是我国首次尝试在太空建立封闭生态系统。

生命生态实验柜还给拟南芥和斑马鱼留了“座位”。通过实验，有望揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响，促进人类对生命现象本质的理解，为航天员在轨辐射损伤评估、防护提供科学依据。

生命生态实验柜最大的亮点就是“通用”。要探究这些“微观”世界，少不了显微镜。一个“藏”在柜子里集普通光学、荧光、激光共聚焦的三镜合一显微镜，正是该实验柜得以“通用”的奥秘所在。这个显微镜还能实现自动寻的拍摄，减少航天员的手动聚焦，实现天地协同工作。

在生命生态实验中，科学家将搭建一个由藻类、水草和斑马鱼组成的极简版小型水生生态系统，形成物质、能量的闭环循环。这个小鱼缸内外布满了各种特制的传感器，科学家将由此摸索相关生态参数，为未来深空探测、月球及火星基地建立生态循环系统提供数据支持。实验柜可根据地面指令自动供氧、供水，并与其他实验柜开展协同实验，在“服役”期间不断升级，可谓功能强大。

生命生态实验柜

“细胞公寓”神秘奇特

生物技术实验柜主要由细胞组织培养模块、蛋白质结晶模块、专用实验装置等模块组成，可同时支持72 个实验单元、36 种实验。它就像是一栋“细胞公寓”，拥有几十间“精装修”的实验单元，可完成从蛋白质、细胞到组织、器官的多种实验。人类无法到几十亿年前去追溯生命种子产生的“地外起源”环境，但微重力、强辐射的空间站环境可以为人类提供一个类似原始地球的环境。

研究团队在“细胞公寓”中精心安排了“酒店式服务”，对每个“房间”进行环境保障、精细观察、场景检测等操作。由于目前我国空间站上的实验需依靠航天员进行操作，起到穿针引线的作用，所以在专业的生物学家进驻空间站之前，对于装置的安全性要求更高，操作性的设计也要求简便。

生物技术实验柜自动、可控、可更换，航天员只需要在实验前放入样品，在实验结束后取出样品，在轨劳动强度大大降低。为了能精细观察“细胞公寓”中的“住户”，科研人员特地将地面实验室中体积较大的一些显微镜设计成“迷你版”复合型显微镜，装入实验柜中。单元操作简便但是可靠，里边主要是储存多种液体，还有不同的泵组和光源。航天员只要为这些显微镜更换镜头和滤镜，它们就能自动巡检、对焦，找到细胞位置，并记录下一个个珍贵而关键的实验瞬间，其技术指标与国际空间站的商用设备相当，但功能更强大，耗能也更少。

生物技术实验柜

其他装置也很给力

除了生命生态实验柜和生物技术实验柜，问天实验舱还携带了哪些实验柜呢？

科学实验往往需要进行对照比较，因此需要在同一空间环境中模拟不同重力，以对其重力效应和响应机制进行研究。为了模拟不同的重力，问天实验舱还携带了中国科学院空间应用工程与技术中心研究的变重力科学实验柜。变重力科学实验柜主要由两个离心机、监控系统、照明系统和定子控制器等组成。它可以通过改变内置离心机转速，持续、稳定地提供0.01g～2g（零重力到两倍重力范围）的高精度模拟重力环境，支持开展模拟月球重力、火星重力下的科学研究，支持开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。

与地面实验室一样，密闭洁净的操作空间在太空科学实验中也必不可少，超净工作台是最常见的设备之一。中国科学院沈阳自动化研究所研发的科学手套箱轻巧、宽敞、结实，配置灵巧的机械臂，支持各类科学实验样品的隔离密闭和精细操作。它不仅光照可编程控制、风速可调节，其温度控制更可精确到0.5℃，湿度精度达4%，显微操作精度不超过5 微米。有了科学手套箱的帮助，航天员能轻松地开展精细操作或重复操作各种复杂的科学实验，如基因注射、细胞核提取、染色体切割等。操作完成后，机械臂还会自动把科学手套箱打扫干净。考虑到实验舱将在轨运行多年，为了适应将来在轨科学实验不断升级的需求，科学手套箱还配置了多类可扩展的标准接口，为日后更新提供强大支撑。

科学手套箱与低温存储柜

低温存储装置由中国电子科技集团公司第十六研究所等研发，是我国首台“太空冰箱”，集成了3 个冷冻冷藏区，既可以对样品进行4℃保鲜，也可进行-20℃、-80℃冷冻，满足样品的不同低温存储要求。由于低温存储装置与科学手套箱叠放在一起，为了使两台设备运行时互不干扰，科研人员进行了大量测试与优化，解决了震动、噪声、释气等一系列问题，使它们能够“珠联璧合”。

在问天实验舱的气闸舱和资源舱外，配置了多个暴露应用载荷接口，具有较强的舱外应用载荷支持能力。所谓“暴露”，指的是直接暴露于太空环境。空间环境监测、对地观测等领域的一些科学实验载荷，以及卫星平台等航天器新技术领域的试验载荷，需要在舱外环境中实施开展。这些载荷可以通过标准适配接口，安装在暴露实验平台上。

此外，问天实验舱还在舱外部署了能量粒子探测器、等离子体原位成像探测器，用于获取空间质子、电子、中子、重离子和等离子体等环境要素数据。

“问天”之后还有亮点

今年，我国还将发射梦天实验舱，主要面向微重力科学研究，配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理等多学科方向的实验柜。同时，在“天宫二号”空间冷原子钟的基础上，将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，构成在太空中频率稳定度和准确度最高的时间频率系统，开展引力红移、精细结构常数测量等前沿科学研究。

变重力科学实验柜

为了把星辰大海看得更广、更深、更清晰，我国还计划在2023 年发射首个大型空间巡天望远镜，它将与中国空间站共轨飞行，成为中国的“深空之眼”，为我们带来全景式宇宙高清图。它拥有2 米口径，成像质量与哈勃望远镜相当，但视场变大了300 倍，能巡视42%的天区面积，还可以“紧盯”一个方向进行多色极深度成像观测。

中国不是有“天眼”FAST 吗，为啥还要发射巡天望远镜？那是因为这两种望远镜的性质是不一样的。“天眼”FAST属于世界上最大的单口径射电望远镜，它的“大锅”主要接收宇宙中的无线电波，从而研究宇宙当中的致密天体，如脉冲星以及无线电波段的天体，这些天体在可见光波段是看不见的。而巡天望远镜属于光学望远镜，它将帮助天文学家观测超过10亿个星系。