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“你們知道世界上最冷的地方在哪里嗎？”

“就在我頭頂。”2023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，神舟十六號航天員桂海潮指著超冷原子物理實驗柜說，“它可以實現(xiàn)地面無法實現(xiàn)的溫度，并制備出接近絕對零度的超低溫物質(zhì)，這種物質(zhì)的原子會呈現(xiàn)特殊的狀態(tài)，用于更好地探索量子力學(xué)的奇異世界?！?/p>

在中國航天員于正式運行的國家太空實驗室給孩子們講課的同時，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心（以下簡稱空間應(yīng)用中心）研究員張璐正在電視臺“天宮課堂”的直播現(xiàn)場，給孩子們深入講解國家太空實驗室里的高科技。

張璐等來自中國科學(xué)院的科學(xué)家屬于最了解太空實驗的一群人，他們?yōu)閲姨諏嶒炇业恼Q生提供了強有力的科技支撐。

屏幕前，全國各地的孩子看著直播畫面，聽著科學(xué)家的講解，眼里滿是期待與驚喜。

中國空間站國家太空實驗室。

1?把實驗室搬進太空

國家太空實驗室是依托中國空間站建立的國家級太空研究平臺?；厮葜袊臻g站建設(shè)的歷史可以發(fā)現(xiàn)，建立國家太空實驗室是中國早在30多年前就已明確的目標。

1992年，我國批準實施載人航天工程，明確“三步走”戰(zhàn)略——

第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗；

第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；

第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

“造船為建站，建站為應(yīng)用”，這是我國載人航天工程建設(shè)發(fā)展的初衷。而“太空實驗”是“應(yīng)用”的重中之重，也是“三步走”戰(zhàn)略實施過程中一直努力的方向。

在1992年中國載人航天工程確立之初，國家就把載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用的重任交給了中國科學(xué)院，由這支科技“國家隊”負責相關(guān)任務(wù)的論證、立項與實施。

在載人飛船階段，中國科學(xué)院組織開展了當時規(guī)模最大、領(lǐng)域最廣的空間科學(xué)與應(yīng)用計劃，28項空間科學(xué)實驗均為國內(nèi)首次開展，在我國空間生命、材料等基礎(chǔ)研究方面起到了開創(chuàng)奠基作用。

在空間實驗室階段，中國科學(xué)院組織開展了50余項科學(xué)實驗與技術(shù)試驗。其中，我國研制的世界首臺空間冷原子鐘達到10-16秒量級的超高精度，伽馬暴偏振儀等項目也取得了國際領(lǐng)先的研究成果。

2021年，中國空間站迎來建設(shè)元年。這年4月29日，天和核心艙被長征五號B運載火箭送入太空，中國空間站在軌組裝建造由此開啟。中國科學(xué)院組織全國相關(guān)科技人員，在空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用四大領(lǐng)域，規(guī)劃布局了覆蓋面廣泛的研究項目，研制了一批具有國際一流水平的科學(xué)實驗機柜和艙外設(shè)施。

作為中國空間站實驗規(guī)劃和實驗柜研制的參與者，來自空間應(yīng)用中心的科研人員常被問到“為什么要把實驗室搬進太空”。

每次遇到這個問題，載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)總指揮助理、空間應(yīng)用中心研究員張偉都會認真作答：“我們要探尋‘我們是誰’‘我們從哪里來’，了解生命、宇宙的起源與演化；我們也要回答‘我們到哪里去’，如果地球未來不適合人類生存了，我們就需要找一個地外的生存空間。此外，我們還可以讓太空資源為人類所用?！?/p>

在他和同事看來，前往太空、探索太空，既是人類好奇心的驅(qū)使，也是人類發(fā)展的終極需求，而空間站為人類邁向宇宙奠定了基礎(chǔ)，是人類開展太空探索、開發(fā)太空資源的前哨平臺。

“太空實驗室能夠為我們提供很好的研究條件，比如長期的微重力、輻射條件，讓我們可以研究這種環(huán)境下新的生命科學(xué)、物理科學(xué)現(xiàn)象，研究產(chǎn)生這些現(xiàn)象的機理，掌握未來人類長期在太空生存需要采取的措施?！睆垈フf。

向著明確的目標、帶著美好的期待，2022年中國空間站迎來了忙碌的一年。2022年7月25日，問天實驗艙與天和核心艙成功對接；2022年11月1日，夢天實驗艙成功對接；2022年11月3日，夢天實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。

建成后的中國空間站成為一座國家太空實驗室，也成為中國航天史上規(guī)模最大、長期有人照料的空間實驗平臺。其中，天和核心艙主要面向航天醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗；問天實驗艙主要面向空間生命科學(xué)研究；夢天實驗艙主要面向微重力科學(xué)研究。

2?“方寸”之間顯身手

當2023年8月18日中國國家太空實驗室宣布正式啟用時，張璐、張偉心里說不出的激動。“把實驗室搬進太空”，是無數(shù)科研人員經(jīng)過無數(shù)次嘗試和努力的結(jié)果。

中國空間站三艙部署的實驗機柜與一系列艙外設(shè)施，可開展上千項科學(xué)實驗。其中，生命生態(tài)實驗柜、流體物理實驗柜、無容器材料實驗柜、高精度時頻實驗柜、高微重力科學(xué)實驗柜等14個科學(xué)實驗柜均由中國科學(xué)院牽頭完成。

空間站科學(xué)實驗柜及其分布情況。

這14個實驗柜有共同的研制難點。

難點之一是“小”，研制實驗柜相當于把在地面上一整間屋子里的實驗裝置，塞進不到兩立方米的柜子里；難點之二是實驗柜要既輕便又牢固，用最小的重量搭載最多的科學(xué)載荷，以便未來能夠承載更多的科學(xué)研究；難點之三是要有科學(xué)前瞻性，能滿足后續(xù)十年的科學(xué)實驗需求。

每一個科學(xué)實驗柜都相當于一個綜合性實驗室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米?！凹夹g(shù)創(chuàng)新是唯一的辦法?！睆堣凑f。

科研團隊針對實驗柜進行了幾百次仿真和力學(xué)試驗驗證；他們在柜體上進行了大量的減重優(yōu)化設(shè)計，又對局部進行加固處理，滿足發(fā)射需求。通過多輪次“材料優(yōu)選、輕量化設(shè)計、仿真分析、力學(xué)試驗驗證”的迭代，實驗柜在柜體主結(jié)構(gòu)不到100公斤的情況下，承重能力達到500公斤，比國際空間站實驗柜高出兩倍以上。

此外，在科學(xué)研究規(guī)模越來越大、科學(xué)設(shè)施越來越復(fù)雜，以及學(xué)科之間不斷交叉融合的當下，科學(xué)家和工程師的合作越來越重要。早在2011年，中國科學(xué)院就開始征集空間科學(xué)實驗項目建議，從而最大限度地確保實驗項目的前沿性和前瞻性?！爱敃r有500多個項目建議，我們從項目建議中提煉出需求，再歸納總結(jié)形成實驗裝置的設(shè)計方案?！睆垈ジ锌?，“科學(xué)家就像大腦，需要醞釀出一個科學(xué)想法；工程師就像雙手，把科學(xué)想法變成現(xiàn)實?！?/p>

不同于國際空間站里線纜管路雜亂無章，中國空間站整潔、清爽。這是因為科研團隊針對每個科學(xué)實驗系統(tǒng)的共性技術(shù)，提煉出一套基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，在統(tǒng)一的需求上兼容各自獨立的科學(xué)實驗需求。

不過，14個實驗柜也各有各的研制難點。

張璐常把這14個實驗柜比作14個性格迥異的人。以高精度時頻實驗柜為例，作為空間站中最復(fù)雜的實驗柜，它由13臺單機組成，是世界上第一套由主動型氫原子鐘、冷原子銣鐘、冷原子光鐘組成的空間高精度時頻系統(tǒng)，目標是成為世界上最高精度的空間時間頻率產(chǎn)生和運行系統(tǒng)。

在該研制項目立項后的很長一段時間里，研制工作一直推進緩慢?！凹夹g(shù)難度超出預(yù)想，國際上沒有人干過這件事，歐洲科學(xué)家一直想做，但因難度太大一拖再拖?！睆堣凑f。

到2019年，中國科學(xué)院整合全院資源，成立工程攻關(guān)組，以中國科學(xué)院國家授時中心（以下簡稱授時中心）為任務(wù)總體單位，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱上海技物所），組織國內(nèi)十余家單位共同研制。自此，高精度時頻實驗柜的研制進入快車道。

為了解決科學(xué)技術(shù)與工程的融合問題，授時中心和上海技物所通力合作，實現(xiàn)了前沿科技的工程化；為了保證星地時間傳遞的高精度和穩(wěn)定度，中國科學(xué)院上海天文臺研制出激光時頻傳遞載荷，突破了單光子光電探測、皮秒精密計時、低時延抖動等多項關(guān)鍵技術(shù)；為了實現(xiàn)更加穩(wěn)定和準確的時頻信號指標，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研制出冷原子微波鐘，評定鍶光鐘誤差，長期駕馭氫鐘，為高精度時頻系統(tǒng)的高精度時間頻率提供了可靠保障……

通過強強聯(lián)合，中國科學(xué)院科研團隊建成了目前世界上在軌設(shè)計指標最高的空間時間頻率系統(tǒng)。

除了解決共性和個性的技術(shù)難題之外，團隊還要爭分奪秒，在有限的時間里交付科學(xué)實驗柜。

2021年4月29日，天和核心艙發(fā)射升空，張璐緊盯屏幕，屏住呼吸，心提到了嗓子眼兒。直到得到發(fā)射成功的消息，他才松了一口氣。

此時，他腦海里閃過2020年國慶節(jié)前的一幕。那時，天和核心艙里所有實驗柜的研制已完成，需要進行最后的狀態(tài)設(shè)置和測試，留給張璐等人的時間只有8.75天，而需要研究和測試的工序多達上百道。他們把時間節(jié)點精確到分鐘，拼命趕進度。張璐留意到，柜體從集成大廳被拉到電測大廳的短短3分鐘時間里，一位同事已經(jīng)見縫插針地躺在地上睡著了。

2020年國慶節(jié)前夕，張璐團隊與實驗柜合影。

3?“太空特產(chǎn)”帶來的驚喜

所有的努力，都得到了最直接的回報——“太空特產(chǎn)”。

2024年5月1日凌晨，神舟十七號乘組回到地球的幾個小時后，20多位科學(xué)家滿懷期待地在空間應(yīng)用中心的大廳里等待著。此刻，外面是漆黑的夜，大廳里燈火通明。

50份實驗樣品被層層包裹著，連夜送到科學(xué)家手中。經(jīng)過拆包、稱重、測溫，最終科學(xué)家獲得的樣品總重量約有31.5公斤，有人類成骨細胞、骨髓間充質(zhì)干細胞、蛋白質(zhì)晶體、生命有機分子、種子、無容器材料、高溫材料、艙外暴露材料……這些實驗樣品被科學(xué)家親切地稱為“太空特產(chǎn)”。

神舟十七號載人飛船返回的樣品。

之后，這些“太空特產(chǎn)”被科學(xué)家?guī)Щ馗髯缘膶嶒炇?。他們要對返回的生命類細胞樣品進行轉(zhuǎn)錄組測序、蛋白組學(xué)檢測等生物學(xué)分析，對生命類蛋白質(zhì)樣品進行晶體衍射分析，對地面和空間樣品的組織形貌、化學(xué)成分及其分布差異等進行測試分析……

這31.5公斤實驗樣品，是科學(xué)家從中國空間站收到的第6批“太空特產(chǎn)”。從神舟十二號到神舟十七號，航天員先后乘坐6艘載人飛船，為科學(xué)家們帶回了6批、300多份科學(xué)實驗樣品，包括中國科學(xué)院在內(nèi)的國內(nèi)外百余家科研院所參與研究。例如，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心科研團隊在國際上首次對空間站里水稻“從種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)過程進行研究；中國科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合上海技物所共同研制出一套水生生態(tài)系統(tǒng)，將斑馬魚送上空間站，實現(xiàn)我國在太空培育脊椎動物的突破……

空間站返回水稻實驗樣品。

據(jù)統(tǒng)計，目前科學(xué)家基于空間站返回樣品，已經(jīng)在空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力流體物理等方向取得重要成果，在國際一流期刊發(fā)表論文300余篇。

這其中每一項科研成果的背后，都離不開太空實驗室里一個個科學(xué)實驗柜的支撐：

科學(xué)家利用無容器材料實驗柜開展多元偏晶合金制備項目，提出了工藝優(yōu)化設(shè)計和組織調(diào)控方法，應(yīng)用于核電、電子通信、裝備制造等領(lǐng)域多種關(guān)鍵材料的制備，使相關(guān)性能獲得有效提升；

科學(xué)家利用高溫科學(xué)實驗柜開展新型材料空間生長研究項目，首次在太空獲得地面難以制備的高質(zhì)量晶體材料，對高性能多元半導(dǎo)體合金材料制備具有指導(dǎo)作用；

科學(xué)家利用生物技術(shù)實驗柜開展人骨細胞定向分化的分子靶點研究、空間環(huán)境對骨骼肌影響的生物學(xué)基礎(chǔ)研究等，取得的成果為防治骨折、修復(fù)脊柱損傷、對抗肌萎縮和防治代謝性疾病等提供了新的方案；

科學(xué)家利用航天基礎(chǔ)試驗機柜開展我國首次斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的在軌試驗，熱電轉(zhuǎn)換效率等綜合技術(shù)指標達到國際先進水平，為未來空間新型電源系統(tǒng)的工程應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)……

盡管成果豐碩，但這支打造國家太空實驗室的科研團隊沒有停下腳步。

“我們還在做三件重要的事。一是每年滾動實施項目，面向全國征集科學(xué)研究項目，組織科學(xué)討論組遴選，并將相應(yīng)的實驗樣品送上天。二是規(guī)劃新裝置、新實驗平臺。例如，我們正在討論是否可以建立一個能養(yǎng)小鼠的太空動物實驗平臺，以便深入研究空間微重力環(huán)境對動物骨骼、肌肉、神經(jīng)和免疫等方面的影響。三是對現(xiàn)有科研成果進行跟蹤、梳理、分析，加強成果推廣與應(yīng)用，不斷獲取應(yīng)用效益?！睆垈フf。

就在前不久，神舟十八號乘組將35公斤的上行實驗單元及配套設(shè)備帶進國家太空實驗室，并著手開展“空間先進水生生保系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”等4個新的科學(xué)實驗。

空間站水生生態(tài)系統(tǒng)研究。空間應(yīng)用中心供圖

神舟十八號發(fā)射的那天，戈壁灘已入夜，烈焰劃破蒼穹，現(xiàn)場觀看發(fā)射的人群發(fā)出熱烈又響亮的歡呼聲。全國各地的人圍在屏幕前，目送航天員和實驗樣品沖進太空。所有人都滿懷期待，等待著國家太空實驗室創(chuàng)造新的科學(xué)奇跡。

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-09-23?第4版?專題）