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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(hào)航天員桂海潮指著超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜說(shuō)，“它可以實(shí)現(xiàn)地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的溫度，并制備出接近絕對(duì)零度的超低溫物質(zhì)，這種物質(zhì)的原子會(huì)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(guó)航天員于正式運(yùn)行的國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室給孩子們講課的同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心（以下簡(jiǎn)稱空間應(yīng)用中心）研究員張璐正在電視臺(tái)“天宮課堂”的直播現(xiàn)場(chǎng)，給孩子們深入講解國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室里的高科技。

張璐等來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家屬于最了解太空實(shí)驗(yàn)的一群人，他們?yōu)閲?guó)家太空實(shí)驗(yàn)室的誕生提供了強(qiáng)有力的科技支撐。

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

中國(guó)空間站國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室。

1?把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空

國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室是依托中國(guó)空間站建立的國(guó)家級(jí)太空研究平臺(tái)。回溯中國(guó)空間站建設(shè)的歷史可以發(fā)現(xiàn)，建立國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室是中國(guó)早在30多年前就已明確的目標(biāo)。

1992年，我國(guó)批準(zhǔn)實(shí)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(yàn)性載人飛船工程，開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；

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

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

在1992年中國(guó)載人航天工程確立之初，國(guó)家就把載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用的重任交給了中國(guó)科學(xué)院，由這支科技“國(guó)家隊(duì)”負(fù)責(zé)相關(guān)任務(wù)的論證、立項(xiàng)與實(shí)施。

在載人飛船階段，中國(guó)科學(xué)院組織開(kāi)展了當(dāng)時(shí)規(guī)模最大、領(lǐng)域最廣的空間科學(xué)與應(yīng)用計(jì)劃，28項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)均為國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展，在我國(guó)空間生命、材料等基礎(chǔ)研究方面起到了開(kāi)創(chuàng)奠基作用。

在空間實(shí)驗(yàn)室階段，中國(guó)科學(xué)院組織開(kāi)展了50余項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)。其中，我國(guó)研制的世界首臺(tái)空間冷原子鐘達(dá)到10-16秒量級(jí)的超高精度，伽馬暴偏振儀等項(xiàng)目也取得了國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。

2021年，中國(guó)空間站迎來(lái)建設(shè)元年。這年4月29日，天和核心艙被長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭送入太空，中國(guó)空間站在軌組裝建造由此開(kāi)啟。中國(guó)科學(xué)院組織全國(guó)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(xiàng)目，研制了一批具有國(guó)際一流水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜和艙外設(shè)施。

作為中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)柜研制的參與者，來(lái)自空間應(yīng)用中心的科研人員常被問(wèn)到“為什么要把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空”。

每次遇到這個(gè)問(wèn)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(huì)認(rèn)真作答：“我們要探尋‘我們是誰(shuí)’‘我們從哪里來(lái)’，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(lái)不適合人類生存了，我們就需要找一個(gè)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(lái)，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(kāi)展太空探索、開(kāi)發(fā)太空資源的前哨平臺(tái)。

“太空實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)槲覀兲峁┖芎玫难芯織l件，比如長(zhǎng)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(jī)理，掌握未來(lái)人類長(zhǎng)期在太空生存需要采取的措施?！睆垈フf(shuō)。

向著明確的目標(biāo)、帶著美好的期待，2022年中國(guó)空間站迎來(lái)了忙碌的一年。2022年7月25日，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙成功對(duì)接；2022年11月1日，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙成功對(duì)接；2022年11月3日，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。

建成后的中國(guó)空間站成為一座國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，也成為中國(guó)航天史上規(guī)模最大、長(zhǎng)期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，天和核心艙主要面向航天醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)；問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究；夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究。

2?“方寸”之間顯身手

當(dāng)2023年8月18日中國(guó)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室宣布正式啟用時(shí)，張璐、張偉心里說(shuō)不出的激動(dòng)?！鞍褜?shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空”，是無(wú)數(shù)科研人員經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試和努力的結(jié)果。

中國(guó)空間站三艙部署的實(shí)驗(yàn)機(jī)柜與一系列艙外設(shè)施，可開(kāi)展上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中，生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜、高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等14個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜均由中國(guó)科學(xué)院牽頭完成。

空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜及其分布情況。

這14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜有共同的研制難點(diǎn)。

難點(diǎn)之一是“小”，研制實(shí)驗(yàn)柜相當(dāng)于把在地面上一整間屋子里的實(shí)驗(yàn)裝置，塞進(jìn)不到兩立方米的柜子里；難點(diǎn)之二是實(shí)驗(yàn)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(lái)能夠承載更多的科學(xué)研究；難點(diǎn)之三是要有科學(xué)前瞻性，能滿足后續(xù)十年的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。

每一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米。“技術(shù)創(chuàng)新是唯一的辦法?！睆堣凑f(shuō)。

科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行了幾百次仿真和力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證；他們?cè)诠耋w上進(jìn)行了大量的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，又對(duì)局部進(jìn)行加固處理，滿足發(fā)射需求。通過(guò)多輪次“材料優(yōu)選、輕量化設(shè)計(jì)、仿真分析、力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證”的迭代，實(shí)驗(yàn)柜在柜體主結(jié)構(gòu)不到100公斤的情況下，承重能力達(dá)到500公斤，比國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)柜高出兩倍以上。

此外，在科學(xué)研究規(guī)模越來(lái)越大、科學(xué)設(shè)施越來(lái)越復(fù)雜，以及學(xué)科之間不斷交叉融合的當(dāng)下，科學(xué)家和工程師的合作越來(lái)越重要。早在2011年，中國(guó)科學(xué)院就開(kāi)始征集空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建議，從而最大限度地確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前沿性和前瞻性?！爱?dāng)時(shí)有500多個(gè)項(xiàng)目建議，我們從項(xiàng)目建議中提煉出需求，再歸納總結(jié)形成實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案?！睆垈ジ锌?，“科學(xué)家就像大腦，需要醞釀出一個(gè)科學(xué)想法；工程師就像雙手，把科學(xué)想法變成現(xiàn)實(shí)。”

不同于國(guó)際空間站里線纜管路雜亂無(wú)章，中國(guó)空間站整潔、清爽。這是因?yàn)榭蒲袌F(tuán)隊(duì)針對(duì)每個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dú)立的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。

不過(guò)，14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜也各有各的研制難點(diǎn)。

張璐常把這14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜比作14個(gè)性格迥異的人。以高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜為例，作為空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，它由13臺(tái)單機(jī)組成，是世界上第一套由主動(dòng)型氫原子鐘、冷原子銣鐘、冷原子光鐘組成的空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)，目標(biāo)是成為世界上最高精度的空間時(shí)間頻率產(chǎn)生和運(yùn)行系統(tǒng)。

在該研制項(xiàng)目立項(xiàng)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，研制工作一直推進(jìn)緩慢?！凹夹g(shù)難度超出預(yù)想，國(guó)際上沒(méi)有人干過(guò)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(shuō)。

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

為了解決科學(xué)技術(shù)與工程的融合問(wèn)題，授時(shí)中心和上海技物所通力合作，實(shí)現(xiàn)了前沿科技的工程化；為了保證星地時(shí)間傳遞的高精度和穩(wěn)定度，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研制出激光時(shí)頻傳遞載荷，突破了單光子光電探測(cè)、皮秒精密計(jì)時(shí)、低時(shí)延抖動(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；為了實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確的時(shí)頻信號(hào)指標(biāo)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制出冷原子微波鐘，評(píng)定鍶光鐘誤差，長(zhǎng)期駕馭氫鐘，為高精度時(shí)頻系統(tǒng)的高精度時(shí)間頻率提供了可靠保障……

通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，中國(guó)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)建成了目前世界上在軌設(shè)計(jì)指標(biāo)最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。

除了解決共性和個(gè)性的技術(shù)難題之外，團(tuán)隊(duì)還要爭(zhēng)分奪秒，在有限的時(shí)間里交付科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)，他腦海里閃過(guò)2020年國(guó)慶節(jié)前的一幕。那時(shí)，天和核心艙里所有實(shí)驗(yàn)柜的研制已完成，需要進(jìn)行最后的狀態(tài)設(shè)置和測(cè)試，留給張璐等人的時(shí)間只有8.75天，而需要研究和測(cè)試的工序多達(dá)上百道。他們把時(shí)間節(jié)點(diǎn)精確到分鐘，拼命趕進(jìn)度。張璐留意到，柜體從集成大廳被拉到電測(cè)大廳的短短3分鐘時(shí)間里，一位同事已經(jīng)見(jiàn)縫插針地躺在地上睡著了。

2020年國(guó)慶節(jié)前夕，張璐團(tuán)隊(duì)與實(shí)驗(yàn)柜合影。

3?“太空特產(chǎn)”帶來(lái)的驚喜

所有的努力，都得到了最直接的回報(bào)——“太空特產(chǎn)”。

2024年5月1日凌晨，神舟十七號(hào)乘組回到地球的幾個(gè)小時(shí)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(shí)驗(yàn)樣品被層層包裹著，連夜送到科學(xué)家手中。經(jīng)過(guò)拆包、稱重、測(cè)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(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、蛋白質(zhì)晶體、生命有機(jī)分子、種子、無(wú)容器材料、高溫材料、艙外暴露材料……這些實(shí)驗(yàn)樣品被科學(xué)家親切地稱為“太空特產(chǎn)”。

神舟十七號(hào)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?shí)驗(yàn)室。他們要對(duì)返回的生命類細(xì)胞樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、蛋白組學(xué)檢測(cè)等生物學(xué)分析，對(duì)生命類蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行晶體衍射分析，對(duì)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(jìn)行測(cè)試分析……

這31.5公斤實(shí)驗(yàn)樣品，是科學(xué)家從中國(guó)空間站收到的第6批“太空特產(chǎn)”。從神舟十二號(hào)到神舟十七號(hào)，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(shí)驗(yàn)樣品，包括中國(guó)科學(xué)院在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外百余家科研院所參與研究。例如，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次對(duì)空間站里水稻“從種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行研究；中國(guó)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(shí)現(xiàn)我國(guó)在太空培育脊椎動(dòng)物的突破……

空間站返回水稻實(shí)驗(yàn)樣品。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guó)際一流期刊發(fā)表論文300余篇。

這其中每一項(xiàng)科研成果的背后，都離不開(kāi)太空實(shí)驗(yàn)室里一個(gè)個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的支撐：

科學(xué)家利用無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展多元偏晶合金制備項(xiàng)目，提出了工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展新型材料空間生長(zhǎng)研究項(xiàng)目，首次在太空獲得地面難以制備的高質(zhì)量晶體材料，對(duì)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(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展人骨細(xì)胞定向分化的分子靶點(diǎn)研究、空間環(huán)境對(duì)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(duì)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(yàn)機(jī)柜開(kāi)展我國(guó)首次斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的在軌試驗(yàn)，熱電轉(zhuǎn)換效率等綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為未來(lái)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(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)沒(méi)有停下腳步。

“我們還在做三件重要的事。一是每年滾動(dòng)實(shí)施項(xiàng)目，面向全國(guó)征集科學(xué)研究項(xiàng)目，組織科學(xué)討論組遴選，并將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣品送上天。二是規(guī)劃新裝置、新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如，我們正在討論是否可以建立一個(gè)能養(yǎng)小鼠的太空動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便深入研究空間微重力環(huán)境對(duì)動(dòng)物骨骼、肌肉、神經(jīng)和免疫等方面的影響。三是對(duì)現(xiàn)有科研成果進(jìn)行跟蹤、梳理、分析，加強(qiáng)成果推廣與應(yīng)用，不斷獲取應(yīng)用效益。”張偉說(shuō)。

就在前不久，神舟十八號(hào)乘組將35公斤的上行實(shí)驗(yàn)單元及配套設(shè)備帶進(jìn)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，并著手開(kāi)展“空間先進(jìn)水生生保系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”等4個(gè)新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

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(hào)發(fā)射的那天，戈壁灘已入夜，烈焰劃破蒼穹，現(xiàn)場(chǎng)觀看發(fā)射的人群發(fā)出熱烈又響亮的歡呼聲。全國(guó)各地的人圍在屏幕前，目送航天員和實(shí)驗(yàn)樣品沖進(jìn)太空。所有人都滿懷期待，等待著國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造新的科學(xué)奇跡。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-09-23?第4版?專題）