绕地飞行的太空实验

朱林崎

在中国空间站的3个舱中，载有许多用于开展科学实验的机柜

 太空中的实验室，有什么特别之处？

2022年，随着梦天实验舱与天和核心舱完成对接，中国空间站由两舱变成三舱，这也标志着中国国家太空实验室（以下简称太空实验室）正式建成。2023年，太空实验室正式运行，目前已经圆满完成了上百项实验，取得了许多令人瞩目的成果。

航天员在空间站戴上“小红帽”，进行脑电测试实验（绘图/骆玫）

不同于地球表面，太空实验室与众不同的空间环境，使其具有一些特殊的特征：

微重力环境

在空间站，所有的物体都保持在接近完全失重的状态，几乎不受重力影响，这样的环境即微重力环境。因此，微重力环境下的太空实验室，可以观测到许多地面重力效应掩盖下的现象。

各种极端条件

空间站所处的极端条件包括极热和极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。这些特殊环境在地面模拟起来成本较高，太空实验室就成了开展相应研究的独特资源。

例如，在空间站接收到的宇宙射线复杂程度非同一般，太空实验室因而具备开展辐射生物学等研究的有利条件，同时也是开展高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件。

那么，太空实验室里都开展了哪些实验呢？

“小红帽”，大能力 

在太空实验室中，航天员戴上了一顶不同寻常的“小红帽”。这顶“帽子”赋予他们神奇的能力——无需言语，无需动作，仅仅通过思维就能给电脑下指令，操控各种设备。这听起来像是从科幻电影中跳出来的情节，但其实，是在太空实验室开展的脑电测试实验。

这顶“小红帽”叫作脑电帽，里面嵌入了众多微小的触头，它们像一群明察秋毫的小侦探，精准捕捉大脑每一个微妙的波动。通过将捕捉到的脑电信号转化为可识别的数据，就像解读代码一样，就可以“读懂”航天员的大脑活动了！

太空，这个充满未知的领域，对大脑活动的影响仍是一个谜。认知能力在太空是否会变弱？大脑如何自我调整以适应极端环境？这些问题对于长期太空探索至关重要。“小红帽”采集的数据可以帮助科学家了解航天员在太空环境中大脑的功能状态，监测他们是否感到疲惫，保障他们的身心健康，同时也为观察大脑如何适应太空环境提供了宝贵的视角。

 了解火焰，得上天！

地面上的火苗为什么是泪滴形的？

3000多年前，古人就用看火来形容观察事物的透彻程度，即所谓的“洞若观火”。但事实上，看似简单的火焰，其实是一场复杂的“表演”，依赖于流体力学、化学反应等多种学科的结合，影响因素也非常多。

在地面上，当你点燃一根蜡烛，它会舞动着亮橘色泪滴形的火焰。这是因为，火焰燃烧时，周围的空气被加热，重力这双无形的“魔手”指挥着热空气上浮、冷空气下沉，从而形成空气对流，托着火焰向上延伸，于是呈现出泪滴形的火苗。

蜡烛在地面（左）和在太空（右）燃烧的火焰对比（来源/美国国家航空航天局）

太空环境中的火苗是什么样的？

在太空中，微重力的环境导致重力效应几乎消失，火焰周围也就难以产生对流，燃烧后的气体向各个方向运动的趋势都一样，使得火焰变成了一个球形的“矮胖子”；同时，由于燃烧过程更加稳定和均匀，火焰也变成了蓝色。

这个变化揭示了一个重要的科学道理，即：在地球上，火焰的一些特性被重力效應所遮盖，这使人们很难深入理解燃烧的本质；而在太空环境中，重力效应几乎消失，科学家可以验证和发展地面无法观测的燃烧现象及机理，并为如何在地球上提升燃烧效率和更好地节能减排提供新思路。同时，这样的研究还有助于尽早发现航天器火灾隐患，开发更安全的太空灭火技术。

燃烧科学实验柜

为太空观火设计的“慧眼”

为了揭开火焰的秘密，中国科学家给太空实验室量身定制了一个高科技装置——燃烧科学实验柜。这个实验柜是个工作“多面手”，可以全自动地进行气体、液体和固体各种燃料的燃烧实验；它还是个拍照达人，每秒能拍摄3000～5000张照片，是科学家观察火焰的“慧眼”。

2023年2月，燃烧科学实验柜进行了首次点火测试，先后两次点火共持续约30秒，成功展示了它的能力。它的任务有很多，要完成10个研究计划，共计79项实验目标，可谓重任在肩！

航天员正在安装空间辐射生物学暴露实验装置（来源/中国载人航天工程办公室）

生物學暴露实验装置（来源/中国载人航天工程办公室）

 

小小探险家，解锁太空生存密码

2023年6月，一支特别的探险“队伍”被送往太空，开启了不同凡响的太空之旅。这些“探险家”被安排在特殊的舱外“观景房”中，尽管这里能够保障适宜的空气和温度条件，但这场旅行却仍然危机四伏、险象环生——强烈的宇宙辐射、飞驰的微流星体等，无一不是巨大的威胁。

这群“探险家”是谁？它们为何会参加残酷的“太空生存挑战赛”？原来，它们是身长仅有1毫米、全身透明的线虫。它们生存能力很强，且繁殖得快，在恶劣条件下能进入休眠状态，暂停发育和进食，存活数月之久。更重要的是，线虫对宇宙辐射和微重力的响应，与人类及其他哺乳动物有着惊人的相似性。因此，线虫就成了太空辐射实验的“宠儿”。

这些线虫身体中的组织系统都被荧光标记，便于观察其在太空的一举一动。通过实时监控，中国科学家们首次揭示了线虫如何在太空中生长发育，以及如何适应极端辐射环境。5个半月后，这些线虫带着辐射损伤的印记归来，为科研人员解锁太空生存密码提供了关键线索。科研人员还筛选出抗辐射的药物，成功缓解了线虫受到的伤害。此次实验不仅是舱外辐射生物学暴露实验的首次尝试，也为理解太空极端环境下的生命现象开辟了新的道路。

显微镜下的线虫

太空实验室开启了辉煌的序章，让我们站在了探索未知世界的新起点上。未来10年，这里将开展近千项科学实验，涵盖空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用等多个领域。让我们一同期待，这个科学探索的奇迹“工坊”，引领我们走向更加灿烂的科学新纪元。

（责任编辑 / 代竹蕊    美术编辑 / 韦英章）