中國太空實驗室接地氣 學生可提交科普實驗項目
學生可提交科普實驗項目 科學家或飛天親手做實驗
中國太空實驗室接地氣
中國預計在2020年發射空間站核心艙，2022年左右發射實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，之後把3個艙形成“T”字形構型，構成完整的空間站。預計空間站將從2022年之後開始運作，在軌10年以上。
自從中國空間站計劃開始實施以來，“我們去空間站幹什麼”就一直是大眾關心的問題。其實，“做實驗”就是一項重要的任務——空間站將支撐大量科學研究和實驗。
之前，來自17個國家的9個項目成為中國空間站科學實驗首批國際合作項目。現在，中國空間站面向國內公開徵集空間科學實驗和技術試驗項目活動已開始正式申報。
太空實驗有得天獨厚優勢
太空環境非常複雜，那麼，我們為什麼要在太空中做實驗呢？這是因為利用載人航太開展科學實驗有很多優點。第一，可以提供長期的微重力實驗條件，揭示重力掩蓋下物質的特殊規律。微重力環境下，很多物質的規律會發生變化。比如，由重力引起的浮力對流基本消失，燃燒特性發生了變化，它只是一種擴散的燃燒。第二，航太員可以在軌進行實驗操作、更換實驗設施和實驗設備，長期開展實驗。第三，在一定的軌道高度上，我們方便開展天文觀測和地球觀測。在空間進行觀測，天文望遠鏡不受大氣干擾。空間站約1.5個小時就能繞地球一圈，約每3天就可以把地球大部分陸地覆蓋了，可以開展對地快速掃描和觀測。第四，可以通過天地往返將實驗樣品帶回地面，在地面上對樣品進行長期研究，取得新的發現。
關於太空實驗的價值，人類已經進行了諸多探索。比如，歐洲牽頭開展了在太空中飼養小鼠的研究，為期半年，通過在軌觀測來研究小鼠在太空微重力條件下的特徵，並與地面研究結果進行對比，看在太空生活對生命體的細胞、神經系統乃至整個生命體究竟有什麼影響，為人類太空探測打下基礎。再比如，科學家在國際空間站開展了微重力燃燒實驗，發現“冷焰”這種特殊現象，即火焰熄滅以後物質仍在燃燒，也就是說，在非常低的溫度條件下，燃燒並未停止。利用這種現象，可以提高發動機的燃燒效率，特別是柴油發動機，讓發動機的污染排放量更小，對發動機的設計改進具有重要指導作用。
實驗條件先進而豐富
中國空間站將是先進的太空實驗室，能滿足多方面實驗需求。一方面，實驗艙內有大量的科學實驗櫃，支援各個方向的艙內科學實驗，包括生命科學、流體科學、材料科學、基礎物理等。比如說，在基礎物理方面，我們將安排一個超冷原子實驗櫃，研究溫度在絕對零攝氏度附近的超冷原子氣體的一些特殊的物理規律。中國空間站有冷原子鐘高精度時頻系統，精度可達30億年誤差小于1秒，可以給導航等提供基準的頻率和時間資訊。另一方面，在艙外有一些標準載荷的接收器，還有一些挂大型載荷的挂點，在艙外可以進行天文觀測、地球觀測，空間物理等方面的研究。此外，通過航太員還可以對實驗條件進行升級或者更換，可以開展更多方面的實驗。
談到實驗條件，人們自然而然地會聯想到正在運作的國際空間站，與之相比，中國空間站的實驗條件怎樣呢？答案是“後來居上”。就實驗櫃來說，中國在設計和實驗參數方面都實現了提升，比如，擴展空間站材料實驗櫃的加工溫度，國際空間站達到2000多攝氏度，中國的可達到3000攝氏度。
具備上述實驗條件無疑是非常不易的，就實驗櫃的研製來說就需要克服各種困難。首先是確保可靠性和安全性。所有實驗設施不能對航太員的生活造成影響，不能有危險性的因素。比如，燃燒實驗必須做到可控，絕不能造成火災。其次，適用特殊的控制手段。空間站上的實驗大部分都是自主完成的，無論是樣品輸送、分析等實驗過程，還是觀測設備的定時定點觀測都需要開發與地面不同的控制手段，難度之高，可以想見。比如，要在太空養小鼠，需要給它提供氧氣、水和食物，但是在太空裏它是漂浮的，怎樣的設計讓它能夠吃到食物能夠喝到水？小鼠還要產生大量的糞便尿液，需要把這些廢物定點排出來。在一個小空間裏，長期(至少半年)解決這些問題難度很高。
創新性可實現性至關重要
本次徵集面向的是國內科學家。實驗項目包括十幾個研究方向，其中包括空間生命科學，在動物、植物、微生物、細胞等方面進行研究；流體科學，研究微重力流體下的一些特殊規律；開展基礎物理、超冷原子物理的研究，認識超冷狀態下原子的規律。此外，利用艙外大型設施，進行宇宙的觀測，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞、暗物質等。
有意應徵者要提高成功率，建議注意以下3個方面。一是提交的實驗必須滿足和空間的相關性，需要利用微重力條件或者是太空輻射等特殊條件。二是實驗的創新性和先進性比較突出。比如，該類實驗國際上沒有做過，或者是國際上做過但沒有做好，或者加入了原創性的新東西。三是實驗要具有可實現性。充分考慮現有裝置和實驗櫃是否能夠滿足實驗條件要求，如果不能，能否研製出新實驗裝置。
實驗項目申報流程大致分成以下4個步驟。第一步是項目徵集，目前，申報網站已經開通，接受網上申報；第二步是進行形式審查，初步篩選出符合條件的項目。第三步是通訊評審，邀請同行內的專家來進行同行評議；第四步是會議評審，組織各個領域的專家對這些申報項目進一步梳理。在此基礎上，形成項目立項建議。
如果是條件比較成熟的項目，我們就儘快安排立項程式；如果項目只是有很好的想法，我們可以進行地面培育，進行了足夠的研究之後再立項。本次徵集將在今年8月31日結束，後期的評審和立項請關注中國載入航太官網發佈的相關消息。
學生可申報科普實驗
值得注意的是，中國空間站徵集的還有科普項目，大學生、高中生如果有好的想法，都可以進行申報，並且可能在太空中得以實現。在這方面已有先例。天宮二號進行的太空養蠶實驗項目就是由香港中學生提出的，該實驗取得豐碩成果，向全社會特別是廣大青少年進行了非常好的科學知識普及，激發了他們探究宇宙的熱情。
由於環境的特殊性，空間站上的實驗操作通過3種方式進行。一是由實驗裝置通過自動化控制自主完成，大部分實驗是以這種方式來完成的。二是通過地面運作控制中心遙控控制實驗的操作，包括進行參數調整或者設置等。三是由在軌的航太員來協助開展，比如，更換批次樣品，或者完成生命科學實驗中的精細操作，進行在軌觀察等。現在有新型航太員，他們本身就是載荷專家，專門去太空開展科學實驗，在短期內就把相關的實驗批量完成。
對於有志於太空科學實驗的中國科學家來說，中國空間站將為他們搭建前所未有的實驗平臺。他們提交空間實驗項目如果入選，如果身體過關的話，他們完全可以參載入荷專家選拔，有望在太空操作自己的實驗。
(作者為中國科學院空間應用中心應用發展中心主任)
張 偉
