据说中国空间站要搞事情？听听两会委员怎么说！

　　来源：科学大院

　　作者：邸凤萍 张伟（中国科学院空间应用工程与技术中心）

　　全国两会上，委员为我们带来了不少关于载人航天空间应用的新消息：

　　中国将于2020年前后发射空间站核心舱，之后发射实验舱，中国空间站将正式组建并运行。中国的空间站既是为中国科学家、也是为全球科学家提供的优秀科学探索平台，空间站里将涌现出更多科学成果，有望揭示宇宙的诸多奥秘。

　　――全国政协委员、中国载人航天工程总设计师周建平

　　今年将开启第三批航天员选拔工作。前两次（航天员选拔）以驾驶员为主体，未来根据工程建设需要，还要选拔飞行工程师，执行对空间站的建造、维护维修等任务。同时，还要选拔载荷专家在空间站开展大量科学实验，将空间站建设成为国家级的太空实验室。

　　――全国政协委员、中国载人航天工程办公室副主任杨利伟

　　今年上半年，将面向内地和港澳台地区公开征集载人空间站应用项目建议。作为中国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台，将为空间生命科学与生物技术、微重力流体与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文等研究提供空间实验条件。

　　――全国政协委员、中国科学院空间应用工程与技术中心主任高铭

　　这些消息振奋人心！那么究竟为什么要在空间站里做实验？委员们所说的多个领域空间科学实验具体指什么呢？与我们生活到底有什么关系呢？下面就为大家一一介绍。

　　空间站上的独特研究环境


图1。航天员在天宫舱内（来源于网络）

　　微重力环境：相信大家都看到过宇航员在太空舱内 “漂浮”的画面。这是因为他们处于“微重力”的环境中。我们在地面所接触的任何物质在太空中都是处于微重力的环境下，微重力改变了通常可以观察到的很多现象。在这种环境下，物质分子间的结构及其相互作用等物理特性也会发生变化。同时，空间站提供了长时间的微重力环境。

　　极端环境：空间站上还具有一些极端条件，包括极热和极冷循环、超真空、原子氧和高能辐射等，这些条件在地面很难模拟。

　　利用空间站上独特的环境，为我们开展如生命科学、基础物理、材料科学等领域的研究提供了条件，实验结果将作为地面相关领域科学研究和实验验证的重要补充，是获取重大科学发现和成果产出的重要途径。

　　空间站上适合开展的科学研究

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　　空间生命科学与生物技术

　　在过去40亿年的生命进化中，重力一直作为关键因素发挥着重要的作用。而空间站特有的长时间微重力环境，为生命科学研究提供了独特的机会。

　　通过开展基于种群、个体、组织、细胞等不同层次的空间重力生物学研究，揭示微重力环境下生物体的重力感知、信号转导与传输及响应机理；

　　探索空间辐射环境下生命分子结构和功能的变化，揭示空间环境与不同遗传背景生物体相互作用的分子机理；

　　开展受控生态系统的生物学问题与技术研究，探索改善地球上恶劣或极端环境生态条件的方法；

　　开展蛋白质晶体制备和生物分子组装研究，更好地解析结构-功能关系等。

　　这些研究将为农林优良品种选育、制药和医学技术发展、人类太空生存与探索提供重要的理论指导。


图2。 天宫二号高等植物培养箱返回单元抽薹开花的拟南芥

　　在天宫二号空间实验室我国首次完成了高等植物“从种子到种子”包括萌发、生长、开花、结籽的空间长周期培养实验，研究微重力条件下高等植物的生长发育规律，同时将为农作物品种改良提供关键候选基因。

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　　微重力流体与燃烧科学实验

　　空间站长期的微重力环境，为研究流体在新力学体系内的运动规律提供了优越的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面张力驱动的流动，气-液-固相间的传递机制等方面研究；

　　为研究燃烧的化学反应过程提供了良好的机遇。诸如预混气体燃烧、气体扩散燃烧、液滴燃烧、颗粒和粉尘燃烧、典型气体环境中燃料表面的点火和传播、流动过程与燃烧的耦合等方面的研究，对工业过程与工艺优化、能源开发与有效利用、环境污染控制与保护、灭火防火等安全防护方面具有重要的意义。




图3。天宫二号液桥热毛细对流实验

　　热毛细对流现象是指在空间环境完全失重的特殊条件下，由表面张力驱动的热毛细流动成为主要的自然对流形式，它也是影响空间流体热、质输运过程的主要因素。天宫二号液桥热毛细对流实验目的是在微重力环境下深入剖析热毛细对流的真实过程，为科学控制晶体生长过程中浮力对流、热毛细对流的影响，为生产出高质量的材料奠定基础。

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　　空间材料科学

　　大多数材料全部或部分是从流体形成的，热量和物质从流体向固体的迁移在微重力环境下会发生变化，从而影响材料的成型和材料的最终性能。利用这一特性可以开展材料加工过程的物理规律、材料加工生产及工艺等方面的研究，从而获得性能全新的材料。 例如泡沫材料、新型合金和半导体、纳米材料等先进材料；新型光催化材料、太阳能电池材料、合成肌肉等特殊材料，具有在地面和空间广阔的应用前景。




图4。 天宫二号上航天员更换综合材料实验样品

　　天宫二号空间实验室在轨完成了3批共18支材料样品实验，主要研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、纳米及复合材料制备机理，揭示在重力环境下难以获知的材料物理化学过程的规律。

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　　微重力基础物理

　　基础物理学研究涉及空间、时间、能量和物质构成。现代物理学的主要理论是基于爱因斯坦相对论和粒子物理的标准模型，但是这些理论描绘的图景还不完整，爱因斯坦的引力论可能需要重新思考。最近的天文观测和宇宙学模型表明，暗物质和暗能量，这些无法被直接观察到且未被完全理解的存在，在最大尺度上支配着这些相互作用。所有这些无法解释的观察结果和矛盾点都提示有可能发现新的理论。

　　在空间开展基础物理实验的优势包括长期微重力条件、易于测量引力势和相对运动的变化、大气对光学和无线电信号传播的干扰减少等，可以开展高精度的相对论与引力物理检验实验、最基本的量子物理现象等科学实验，带动诸多科学和技术领域的革命。


图5。空间冷原子钟实验典型应用

　　天宫二号空间冷原子钟频率日稳定度将达到10^-16，可实现约3000万年误差1秒的超高精度，这是国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟，也是目前在空间运行的最高精度原子钟。实验的成功为在空间建立高精度时间频率系统和开展冷原子物理研究奠定了基础，为空间冷原子干涉仪和原子陀螺仪等敏感器的开发提供了技术积累。将在卫星导航定位系统、广义相对论验证、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

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　　空间天文

　　空间站位于近地轨道，具有大气影响小，长期稳定运行等特点，为天文观测和高能探测提供了有利的条件，可实现较高分辨率的长期巡天观测。在宇宙天体的起源与演化、宇宙组成结构等方面开展研究，瞄准“一黑”（黑洞）、“两暗”（暗物质、暗能量）、“三起源”（宇宙起源演化、天体起源演化、地外生命起源）等前沿重大基础科学问题，取得原创性重大成果，提升在国际学术领域的水平。


图6 哈伯望远镜拍摄的宇宙照片

　　载人航天总设计师周建平透露空间站伴飞的光学舱亦在研制中，它将搭载2米口径的巡天望远镜。这台望远镜的分辨率与美国哈勃空间望远镜相当，视场角是后者的200多倍，它将在大范围巡天科学研究方面显身手。

　　上面介绍的仅是空间科学与应用研究的部分领域。浩瀚的宇宙充满了神奇的色彩和广阔的空间，空间站为人类探索未知世界创造了独特的条件，更为我们利用这些条件完善知识体系、拓展生存空间提供了宝贵的平台。


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