學(xué)生可提交科普實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 科學(xué)家或飛天親手做實(shí)驗(yàn)

　　中國(guó)太空實(shí)驗(yàn)室接地氣

　　中國(guó)預(yù)計(jì)在2020年發(fā)射空間站核心艙，2022年左右發(fā)射實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ，之后把3個(gè)艙形成“T”字形構(gòu)型，構(gòu)成完整的空間站。預(yù)計(jì)空間站將從2022年之后開始運(yùn)行，在軌10年以上。

　　自從中國(guó)空間站計(jì)劃開始實(shí)施以來(lái)，“我們?nèi)タ臻g站干什么”就一直是大眾關(guān)心的問(wèn)題。其實(shí)，“做實(shí)驗(yàn)”就是一項(xiàng)重要的任務(wù)——空間站將支撐大量科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。

　　之前，來(lái)自17個(gè)國(guó)家的9個(gè)項(xiàng)目成為中國(guó)空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)首批國(guó)際合作項(xiàng)目。現(xiàn)在，中國(guó)空間站面向國(guó)內(nèi)公開征集空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目活動(dòng)已開始正式申報(bào)。

　　太空實(shí)驗(yàn)有得天獨(dú)厚優(yōu)勢(shì)

　　太空環(huán)境非常復(fù)雜，那么，我們?yōu)槭裁匆�在太空中做�?shí)驗(yàn)?zāi)兀窟@是因?yàn)槔�用載人航天開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，可以提供長(zhǎng)期的微重力實(shí)驗(yàn)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(huì)發(fā)生變化。比如，由重力引起的浮力對(duì)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(shí)驗(yàn)操作、更換實(shí)驗(yàn)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，長(zhǎng)期開展實(shí)驗(yàn)。第三，在一定的軌道高度上，我們方便開展天文觀測(cè)和地球觀測(cè)。在空間進(jìn)行觀測(cè)，天文望遠(yuǎn)鏡不受大氣干擾。空間站約1.5個(gè)小時(shí)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(duì)地快速掃描和觀測(cè)。第四，可以通過(guò)天地往返將實(shí)驗(yàn)樣品帶回地面，在地面上對(duì)樣品進(jìn)行長(zhǎng)期研究，取得新的發(fā)現(xiàn)。

　　關(guān)于太空實(shí)驗(yàn)的價(jià)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(guò)在軌觀測(cè)來(lái)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(duì)比，看在太空生活對(duì)生命體的細(xì)胞、神經(jīng)系統(tǒng)乃至整個(gè)生命體究竟有什么影響，為人類太空探測(cè)打下基礎(chǔ)。再比如，科學(xué)家在國(guó)際空間站開展了微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，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(shuō)，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(dòng)機(jī)的燃燒效率，特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的污染排放量更小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有重要指導(dǎo)作用。

　　實(shí)驗(yàn)條件先進(jìn)而豐富

　　中國(guó)空間站將是先進(jìn)的太空實(shí)驗(yàn)室，能滿足多方面實(shí)驗(yàn)需求。一方面，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)有大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，支持各個(gè)方向的艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(shuō)，在基礎(chǔ)物理方面，我們將安排一個(gè)超冷原子實(shí)驗(yàn)柜，研究溫度在絕對(duì)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(guó)空間站有冷原子鐘高精度時(shí)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(shí)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(diǎn)，在艙外可以進(jìn)行天文觀測(cè)、地球觀測(cè)，空間物理等方面的研究。此外，通過(guò)航天員還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行升級(jí)或者更換，可以開展更多方面的實(shí)驗(yàn)。

　　談到實(shí)驗(yàn)條件，人們自然而然地會(huì)聯(lián)想到正在運(yùn)行的國(guó)際空間站，與之相比，中國(guó)空間站的實(shí)驗(yàn)條件怎樣呢？答案是“后來(lái)居上”。就實(shí)驗(yàn)柜來(lái)說(shuō)，中國(guó)在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)方面都實(shí)現(xiàn)了提升，比如，擴(kuò)展空間站材料實(shí)驗(yàn)柜的加工溫度，國(guó)際空間站達(dá)到2000多攝氏度，中國(guó)的可達(dá)到3000攝氏度。

　　具備上述實(shí)驗(yàn)條件無(wú)疑是非常不易的，就實(shí)驗(yàn)柜的研制來(lái)說(shuō)就需要克服各種困難。首先是確保可靠性和安全性。所有實(shí)驗(yàn)設(shè)施不能對(duì)航天員的生活造成影響，不能有危險(xiǎn)性的因素。比如，燃燒實(shí)驗(yàn)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。空間站上的實(shí)驗(yàn)大部分都是自主完成的，無(wú)論是樣品輸送、分析等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還是觀測(cè)設(shè)備的定時(shí)定點(diǎn)觀測(cè)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(jì)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(diǎn)排出來(lái)。在一個(gè)小空間里，長(zhǎng)期(至少半年)解決這些問(wèn)題難度很高。

　　創(chuàng)新性可實(shí)現(xiàn)性至關(guān)重要

　　本次征集面向的是國(guó)內(nèi)科學(xué)家。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括十幾個(gè)研究方向，其中包括空間生命科學(xué)，在動(dòng)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(shí)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(cè)，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(gè)方面。一是提交的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和先進(jìn)性比較突出。比如，該類實(shí)驗(yàn)國(guó)際上沒有做過(guò)，或者是國(guó)際上做過(guò)但沒有做好，或者加入了原創(chuàng)性的新東西。三是實(shí)驗(yàn)要具有可實(shí)現(xiàn)性。充分考慮現(xiàn)有裝置和實(shí)驗(yàn)柜是否能夠滿足實(shí)驗(yàn)條件要求，如果不能，能否研制出新實(shí)驗(yàn)裝置。

　　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)流程大致分成以下4個(gè)步驟。第一步是項(xiàng)目征集，目前，申報(bào)網(wǎng)站已經(jīng)開通，接受網(wǎng)上申報(bào)；第二步是進(jìn)行形式審查，初步篩選出符合條件的項(xiàng)目。第三步是通訊評(píng)審，邀請(qǐng)同行內(nèi)的專家來(lái)進(jìn)行同行評(píng)議；第四步是會(huì)議評(píng)審，組織各個(gè)領(lǐng)域的專家對(duì)這些申報(bào)項(xiàng)目進(jìn)一步梳理。在此基礎(chǔ)上，形成項(xiàng)目立項(xiàng)建議。

　　如果是條件比較成熟的項(xiàng)目，我們就盡快安排立項(xiàng)程序；如果項(xiàng)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(xiàng)。本次征集將在今年8月31日結(jié)束，后期的評(píng)審和立項(xiàng)請(qǐng)關(guān)注中國(guó)載入航天官網(wǎng)發(fā)布的相關(guān)消息。

　　學(xué)生可申報(bào)科普實(shí)驗(yàn)

　　值得注意的是，中國(guó)空間站征集的還有科普項(xiàng)目，大學(xué)生、高中生如果有好的想法，都可以進(jìn)行申報(bào)，并且可能在太空中得以實(shí)現(xiàn)。在這方面已有先例。天宮二號(hào)進(jìn)行的太空養(yǎng)蠶實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是由香港中學(xué)生提出的，該實(shí)驗(yàn)取得豐碩成果，向全社會(huì)特別是廣大青少年進(jìn)行了非常好的科學(xué)知識(shí)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(shí)驗(yàn)操作通過(guò)3種方式進(jìn)行。一是由實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)自動(dòng)化控制自主完成，大部分實(shí)驗(yàn)是以這種方式來(lái)完成的。二是通過(guò)地面運(yùn)行控制中心遙控控制實(shí)驗(yàn)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(lái)協(xié)助開展，比如，更換批次樣品，或者完成生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精細(xì)操作，進(jìn)行在軌觀察等。現(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(shí)驗(yàn)，在短期內(nèi)就把相關(guān)的實(shí)驗(yàn)批量完成。

　　對(duì)于有志于太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，中國(guó)空間站將為他們搭建前所未有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。他們提交空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如果入選，如果身體過(guò)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(shí)驗(yàn)。

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

　　張 偉