人類，終將走出地球母親的懷抱，投向無垠太空。
在中國空間站全面建成兩周年之際，中國載人航天工程辦公室日前首次發(fā)布《中國空間站科學研究與應用進展報告》（2024年）（以下簡稱《報告》），對兩年來中國空間站的科學研究與應用進展進行了系統(tǒng)性總結，集中回應社會各界對中國空間站建設發(fā)展的關切期待。其中，在中國空間站開展的系列科技項目尤其引人矚目。本期，讓我們走進中國空間站這座國家太空實驗室，看看那些在太空開展的科學研究和應用，究竟有何不一般？
不可多得的太空實驗室
中國空間站由天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙組成，是我國獨立自主設計的“太空之家”。這三個艙段均有獨立的電源、控制、推進和測控系統(tǒng)。中國航天科技集團有限公司第五研究院空間站系統(tǒng)總設計師楊宏院士介紹，通過交會對接和在軌平面轉位完成組裝建造，中國空間站與載人飛船、貨運飛船等共同構成百噸級載人空間站，利用信息網絡技術融合使用各航天器功能與資源。
這三個艙段各有何妙用？楊宏介紹，天和核心艙負責空間站的統(tǒng)一管理和控制；問天實驗艙開展空間科學實（試）驗，同時具有能源管理、信息管理、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關鍵功能備份；夢天實驗艙主要開展空間科學實（試）驗。
中國空間站的建成，標志著我國獨立掌握了近地軌道大型航天器在軌組裝建造技術，具備了開展空間長期有人參與科學技術實（試）驗的能力。目前，在中國空間站開展的首批空間科學、應用實驗與技術試驗項目進展順利、成果豐碩，具有一定的前沿性和創(chuàng)新性。
《報告》顯示，目前，中國共規(guī)劃了空間生命與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用四大研究領域、32個研究主題。截至2024年12月1日，已在軌實施181項科學與應用項目，上行近2噸科學物資，下行實驗樣品近百種，獲取科學數(shù)據(jù)超過300TB。這些成果全面展示了我國在空間科技領域的能力水平和創(chuàng)新精神，同時也為后續(xù)空間科學研究取得突破性科學機理認知、加速成果轉化和取得廣闊應用效益總結了有益經驗。
憑借長期微重力、宇宙輻射等獨特環(huán)境條件，以及航天員親身參與、天地往返運輸?shù)韧怀鰞?yōu)勢，中國空間站已然成為一座彌足珍貴的國家太空實驗室。
多個國內外“首次”造福大眾
此次發(fā)布的《報告》從目前已下行樣品、取得研究數(shù)據(jù)、完成在軌實驗、獲得突出進展的科學與應用項目中，擇優(yōu)遴選了34項代表性科學研究與應用成果予以介紹。可以看到，這些代表性成果，實現(xiàn)多個國內外“首次”。
在空間生命科學與人體研究領域，中國科研團隊完成了水稻“從種子到種子”的全生命周期空間培育，在國際上首次獲得空間發(fā)育的水稻和再生稻新的種質資源，并在樣品返回地面后實現(xiàn)了大田種植，證明在空間站發(fā)育的水稻種子具有活力和繁殖能力。
在斑馬魚實驗中，科研團隊研制的空間水生生態(tài)系統(tǒng)在空間站穩(wěn)定運行43天，實現(xiàn)了中國在太空培養(yǎng)脊椎動物的突破，獲得了國際上空間水生生態(tài)系統(tǒng)在軌運行的最長紀錄。科學家還通過天地對比發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在軌出現(xiàn)背腹面顛倒游泳、旋轉運動、轉圈等空間運動行為異常現(xiàn)象。為后續(xù)利用斑馬魚作為動物模型進行航天員空間健康研究建立了實驗平臺，為未來構建空間生態(tài)系統(tǒng)提供了良好的生物元件。
令人欣喜的是，利用生物技術實驗柜開展的空間微重力下的人胚胎干細胞的早期造血分化實驗，首次在軌實現(xiàn)人多能干細胞分化出造血干細胞/前體細胞，揭示微重力通過影響整合素信號來促進早期造血分化的分子機制，為解決地面人多能干細胞造血分化效率低的問題提供了新思路。
由于在太空微重力環(huán)境下，航天員可能會面臨骨丟失及肌肉萎縮的問題，科研人員針對長期失重導致骨丟失難題，在國際上首次分析了長期飛行航天員骨代謝影響糖脂代謝的規(guī)律及機制，自主研發(fā)出了骨丟失對抗儀等設施，通過短時、高頻、低幅的直接力刺激作用于下肢脛骨，有效促進成骨細胞活性，抑制骨丟失，這些科研成果不僅服務于航天員在軌健康保障，也將應用于大眾健康。
中國科研團隊還將人工血管芯片送入太空，這是中國首個“太空器官芯片”研究項目，亦是國際上首次開展太空人體血管研究的器官芯片項目，為科學有效對抗航天員器官損傷和防護方法提供了理論和實驗依據(jù)。該項目的成功開展表明我國已具備在軌開展器官芯片相關項目實驗研究的能力，將空間生物醫(yī)學實驗從2D細胞提升到3D組織器官實驗。
此外，空間站雙光子顯微鏡（基于雙光子效應的原理而成像的顯微鏡）在國際上首次實現(xiàn)在軌正常運行，突破了小型化、微重力適用性、抗振動沖擊等多項技術，獲取了航天員不同部位皮膚的高精度三維影像數(shù)據(jù)，在細胞和分子水平上在軌實時無創(chuàng)檢測了機體應激反應信息，為航天員在軌健康監(jiān)測提供了新的基于雙光子顯微成像技術的方案。如今，這項技術已經完成產業(yè)轉化。
與此同時，中國科研團隊利用燃燒科學實驗柜開展了微重力部分預混火焰的駐定、升舉及吹熄實驗，在國際上首次揭示低流量部分預混火焰的升舉及吹熄特性，發(fā)現(xiàn)微重力部分預混火焰熄滅過程中的雙鉤狀結構。有望推動我國在清潔燃燒、節(jié)能減排、空天推進動力燃燒技術、火焰合成材料等方面的技術進步。
聚焦微重力誘導心血管功能障礙的突出問題，科研團隊開展了人尿液細胞重編程多能干細胞分化心肌細胞的在軌研究，在國際上首次實現(xiàn)人心肌細胞鈣熒光信號在軌實時監(jiān)控和分析，獲得心肌細胞適應性改變表型，解析代謝重塑調控心肌細胞微重力效應分子機制。未來經過充分評估和論證后，有望通過調控硫胺酸攝取和代謝改善航天員的微重力適應性，加速太空飛行后心血管功能恢復，并有望在人體其他生理系統(tǒng)的微重力效應中拓展應用。
打開人類地外生存的探索之門
借助空間站強大的太空實驗資源，空間站里對人類在地外長期生存的探索還有很多。
在微重力物理科學領域，中國科學家在國際上首次發(fā)現(xiàn)了低熱流密度下重力主導池沸騰傳熱性能的臨界值，且在重力主導下的傳熱性能隨重力提高不升反降，彌補了國際上關于重力連續(xù)變化時低熱流密度池沸騰傳熱過程中準穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)的缺失，豐富了對池沸騰傳熱重力標度行為的認知，并為未來月球、火星探測等任務先進熱控、流體管理技術研發(fā)提供指導。
《報告》還顯示，我國在國際上首次突破空間冷原子干涉陀螺技術，相關指標處于國際領先水平，為發(fā)展中國空間量子慣性傳感技術奠定基礎。據(jù)介紹，空間量子慣性傳感技術有望應用于引力波探測、暗物質探測、重力衛(wèi)星、重力梯度衛(wèi)星等各項空間科學和應用任務。
在空間新技術與應用領域，我國在天舟五號貨運飛船艙外完成了國內首次空間氫氧燃料電池在軌實驗，驗證了氫氧燃料電池在軌運行的安全性和可靠性。這一成果可有效指導空間燃料電池的設計和研制，后續(xù)可應用于月面駐留、移動等月面任務，也可應用于深空探測及其他宇航高比能量供電任務，同時還能推廣應用于水下等特殊應用場景。
利用航天基礎試驗機柜提供的支撐資源，科研團隊首次揭示了液態(tài)金屬管內對流的層流—湍流轉捩特性，填補了過渡區(qū)實驗數(shù)據(jù)的空白，其在軌試驗獲得的相關成果已應用于民用工業(yè)領域功率器件小型液態(tài)金屬散熱回路裝置的研發(fā)，有望實現(xiàn)液態(tài)金屬高效散熱技術在民用領域的應用突破。
作為航天器電源系統(tǒng)新技術，斯特林熱電轉換系統(tǒng)具有結構簡單、效率高、質量輕、啟動快、振動小及噪聲低等優(yōu)點，是未來深空探測等不依賴太陽能的空間任務的技術路線，具有廣闊的應用前景。中國科研團隊在國內首次開展了空間用百瓦級斯特林熱電轉換技術在軌驗證應用，效率（同等溫比條件下）等綜合技術指標達到了國際先進水平。解決了空間高效自由活塞斯特林熱電轉換技術在軌應用難題，提高自由活塞斯特林熱電轉換技術的成熟度和空間適應性，該驗證成果為未來空間高效同位素電源等不完全依賴太陽能任務的能源技術應用奠定基礎，可應用于月球科考站、木星系及太陽系邊際探測等任務，滿足我國未來空間任務對于先進空間電源系統(tǒng)的迫切需求。
聚焦空間站內微生物安全，中國科學家首次系統(tǒng)性開展空間微生物防控技術體系全鏈條在軌試驗驗證。研制的國際首個高通量在軌微生物腐蝕試驗裝置，實現(xiàn)了航天材料微生物腐蝕在軌評價，支撐了型號任務的航天器材料選型應用。
值得關注的是，空間微藻培養(yǎng)與熟化關鍵技術研究首次利用靶向加熱技術實現(xiàn)了空間液態(tài)微藻由“生”變“熟”，為太空長期駐留及特殊場景下的食物供給提供了新的技術方案。科研團隊成功研制了適用于微重力環(huán)境的微波熟化模塊，成功實現(xiàn)了空間培養(yǎng)微藻的在軌原位熟化過程。科學家還通過分析返回樣品的生理特性及多組學特征，評估了空間生長微藻與地面培養(yǎng)微藻在熟化前后的功能和營養(yǎng)變化，證實了其作為空間食物資源的安全性。
另據(jù)介紹，中國空間站將在今后10年到15年的運營中陸續(xù)開展千余項研究，積極開展科學普及和國際合作，廣泛凝聚國內外高水平科學團隊。這些精心挑選的高水平科學研究項目將促進我國空間科學、空間技術、空間應用的快速發(fā)展，也將為推動科技強國、航天強國建設作出更大貢獻。
