20年來，國際空間站都在干啥

文/ 遲惑

國際空間站最大的用處，顯然是科學研究。因為具備微重力、宇宙輻射等多重地球上難以模擬的條件，國際空間站一直是相關行業科學家們向往的高端實驗室。嚴格來說，國際空間站目前還沒有取得特別重大、足以顛覆人類認知和生產生活方式的科學發現和科研成果，而且多數科研項目的內容艱深晦澀，難以為外行所理解。但千里之行始于足下，國際空間站目前為止取得的成果、特別是進一步開展高端科研的潛力，讓全世界科學家們激動不已。

國際空間站上的科研活動基本可以分為以下幾個領域。

▲ 國際空間站全貌

生物科學與生物技術

國際空間站在不受重力限制的情況下研究生物或生命科學，其中包括重力和基因組多樣性在生物過程中的作用。

我們所認知的細胞、微生物、動植物都是在地球重力作用下進化和發展的，一些生物系統的遺傳多樣性在地球環境中被掩蓋了。如果進入微重力環境加以對照，就會展現出重力環境對進化產生了什么影響。人們已經發現，微重力下微生物的毒性會增強，干細胞會展現出多能性。

國際空間站研究的結果對理解基本的生物過程、了解壓力反應、開發能防治疾病的藥物和治療方法、改善地球上的食物供應、提高太空探索的生命支持能力等都有重要意義。此外，更好地了解其中一些生物過程（如微生物的毒性和浮游生物與細菌生物膜形式的行為）也可能對航天員的健康和改善地球上的生命產生影響。

@晶體學

例如在分子生物學領域，蛋白質結晶是這門學科的前沿。高質量大分子晶體的生長對于蛋白質工程師、生物化學家和藥理學家來說都是至關重要的。生物技術和制藥研究人員一直在設法改善蛋白質結晶過程，以生長大而有序的晶體，用于X射線和中子衍射研究。然而，在地球上，由于晶體溶液中的分子大小和重量不均勻，蛋白質結晶過程受到沉降和對流力的阻礙。這導致許多形狀不規則、尺寸小的晶體無法進行衍射。

國際空間站上的微重力環境相對不受沉降和對流的影響，為晶體生長提供了一個特殊的環境。在微重力條件下生長的晶體，可以獲得許多重要蛋白質分子原子三維結構的詳細知識，可以用于癌癥治療、中風預防和其他疾病的藥物研究。

@微生物學

對微生物進行研究，主要是為了未來長期宇宙飛行做準備。人類本身是微生物的宿主，正常人體內的微生物數量是人體細胞的10倍。在地球上，這些微生物已經學會了如何與人體共生。但是在宇宙里，它們會不會發生變異，有害于人體呢？這是空間站微生物研究的一個重要方向。目前，空間站上的微生物污染研究和微生物對空間環境的反應研究已經取得了重大進展。

▲ 航天員在抽取微生物的DNA進行試驗

@動物學

國際空間站為研究微重力和空間環境對各種生物的影響提供了獨特的環境。嚙齒動物（大鼠和小鼠）是最常用的動物類型。一般來說，空間站成員組要在站內停留180天或更長時間，而嚙齒類動物的壽命一般也不過只有3～4年。因此，把它們帶進空間站里生存，可以用來推斷其對人類在太空中長期生活的影響。

空間站科學家們一直在嘗試利用當前的技術，例如基因工程來研究小鼠在微重力環境下骨丟失的分子機制，然后嘗試藥物干預。美國宇航局還特別對動物生理系統是如何適應太空飛行的感興趣。

日本宇宙航空研究開發機構把一種奇怪的小魚送上了國際空間站。它叫做日本水母魚。其實這真的是一種脊索動物，而不是水母那種腔腸動物。水母魚的身體是完全透明的，所以科學家們能通過熒光觀察和活體成像，很容易地觀察到它的行為和生理變化。因此，科學家們經常用它來做科學研究。科學家們發現，水母魚的牙齒長在咽喉部位，成年水母魚的牙齒有數百顆。這個部位對重力比較敏感，在國際空間站上，科學家們發現這里出現了許多破骨細胞（分解骨組織的細胞）。

▲ 國際空間站上的老鼠培養器

▲ 國際空間站的微重力生命實驗室內景

▲ 國際空間站上的小魚依然存活

▲ 水熊蟲在國際空間站上表現出了旺盛的生命力

與正常牙齒相比，水母魚在牙槽骨區的骨密度增加了約56%，在大腦、眼睛、肝臟和腸道的組織中發現了一些基因變化，腸道似乎對微重力最敏感。水母魚的游泳能力在微重力環境 下沒有受到很大影響。但是表現出了一些在地球上不會發生的奇特行為，如倒立、垂直，還會把自己卷成一個圈來游泳。此外，研究人員還發現，在微重力環境下，直到第33天的交配行為與地球上還沒有什么不同。到第47天，水母魚就懶得動了，表明肌肉運動發生了減少。

@植物學

空間植物生物學在過去四分之一個世紀的發展，極大地提高了我們對植物的認識：如何對重力做出反應；為先進的植物生長設施的設計提供了信息；實現了完整的生命周期；并證明了生物生命支持所必需的生理過程是可持續的。在這一過程中，植物在微重力環境下的園藝技術正在發展，并探索了植物/微生物之間的相互作用。在幾十年的太空飛行實驗中取得的進展也讓我們發現了，目前我們關于重力和太空飛行環境對細胞、組織、整個植物群落的生物學作用還存在著認識上的重大差距。

▲ 國際空間站上的蔬菜培養箱

在這種情況下，國際空間站是一個獨特的平臺，在那里，重力降低可以用來探測和解剖植物的生物機制，以了解陸地生物如何對重力做出反應。這一知識對于通過生物再生生命支持、利用植物和微生物群落來支持人類在太空中的安全和長期居住，以及通過設計解決與太空生活有關的問題對策來降低航天員的探索風險，都是很重要的。此外，通過使用帶有離心機的設施，科學家可以研究植物如何對月球和火星上重力降低的環境做出反應。

人類研究

歷史證明人類有能力在太空中安全地生活和工作。國際空間站是擴展和維持人類活動的平臺，為長期的探索級任務做準備。它提供了機會，通過多學科的研究行動來解決有關航天員健康的關鍵醫學問題。

國際空間站目前正在進行的多學科生物醫學研究包括行為健康和表現、骨骼和肌肉生理學、運動對策、心血管生理學、營養學和免疫學。這些生命科學研究的目的是提供對微重力環境中發生的許多生理變化的透徹理解。人體發生的許多生理變化包括：著陸后易暈倒；由于微重力對眼睛和視神經的有害影響而可能導致視力變化；血容量變化；心臟大小和容量減小；姿勢和運動改變；有氧能力下降；肌肉緊張；睡眠困難；腎結石形成的風險增加；骨骼變弱。

這項研究的重點是航天員的健康和表現，以及制定對策，以保護航天員在長時間航行期間免受空間環境的影響，評估新技術以滿足未來探測任務的需要，并制定和驗證長期空間飛行任務的操作程序。

例如，美國宇航局開展了一項奇怪的雙胞胎試驗，把一對雙胞胎中的一人送進太空，另一人留在地球上。這項實驗并不是要研究傳說中的心靈感應，而是用一天一地的兄弟作為對照，研究人體在適應太空飛行環境時的彈性和魯棒性。

這項研究被認為是未來空間生物研究的基石，研究重點是人體內的分子變化以及它們對航天員健康有什么影響，可能造成什么永久性改變。在實際中，進入太空的那一位在返回地球6個月后，體內分子情況回到了地球上的正常水平。

人們通過對比，發現上天的那位雙胞胎發生了顯著的變化，包括染色變化、頸動脈擴張和眼部動脈壁增厚。這項研究目前還遠遠沒有到下結論的時候。不過有件事現在就能下結論，所謂雙胞胎心靈感應這種事，只是傳說而已。

物理科學

國際空間站為開展微重力物理科學研究提供了一個長期的太空飛行環境。微重力環境大大減少了浮力驅動的對流、壓頭和流體沉淀。通過消除重力或將重力作為實驗設計的一個因素，國際空間站使物理科學家能夠更好地理解流體物理；界面動力學，例如液體和氣體之間的接觸線；完全或部分由粒子組成的系統的物理行為；無浮力對流下的燃燒過程和材料特性。

@流體物理學

流體是任何一種在外力作用下流動的物質，因此，液體和氣體都是流體。幾乎所有的生命維持、環境和生物過程都發生在流體階段。流體運動在自然過程和人為過程中以及在所有生物體內的運輸和混合過程中占了絕大多數。流體物理學是研究液體和氣體的運動以及與之相關的質量、動量和能量傳輸的學科。為了更好地理解流體的行為，我們建立了一個充滿活力、多學科的研究團體，基礎科學和應用科學中不斷出現的新領域標志著其持續的活力。特別是，低重力環境為研究流體物理和輸運現象提供了獨特的機會。近乎失重的環境使研究人員能夠以地球上不可能的方式觀察和控制流體現象。

▲ 國際空間站上的流體實驗設施

在太空中進行的實驗取得了豐碩的成果。其中一些是出乎意料的且大多數是地球實驗室無法觀測到的。這些結果為研究適用于陸地和空間環境的基本流體行為提供了有價值的見解。此外，推進系統和生命維持系統的流體管理和傳熱研究，為美國在太空探索方面的領導地位作出了巨大貢獻。

@燃燒

當燃料和氧氣反應產生二氧化碳、水和熱時，就會發生燃燒。在可預見的未來，陸地應用中輸送的絕大多數能量將來自燃燒或其他化學反應系統。這些能源用途涵蓋了從電力和運輸到直接與交付材料相關的過程（如玻璃和鋼制造）。這些過程產生了目前人類面臨的一些最重要的環境危害（全球氣候變化、酸性氣體污染、煤造成的汞污染和野火）。

盡管燃燒過程是80多年來積極研究的主題，但燃燒過程仍然是控制最差的現象之一，對人類的健康、舒適和安全有著重大影響。這是因為最簡單的燃燒室（如廚房爐灶）仍然超出了我們詳細的數值模擬能力。燃燒過程通常涉及大量化學物質（數百種）和反應（甚至數千種）。正是這些物質和反應決定了可燃極限（燃燒室工作范圍）和污染物排放。許多燃燒研究都涉及到對這一復雜過程的全面和預測性定量理解。

國際空間站允許改變或消除重力的影響。通過這樣做，我們可以提取對理解燃燒系統很重要的基本數據。該方法已在現有的陸上減重力平臺上得到了一定程度的應用，但實驗的時間尺度和規模有限。使用真實尺寸的長時間實驗對于全面了解燃燒現象至關重要，而且只有在空間設施提供的微重力環境中才有可能進行。

在地球上，由于引力的存在，燃燒會引起火焰附近空氣的對流和沉降。但是在微重力環境下，火焰會發生什么變化呢？這就是人們在國際空間站上開展的BASS-II（固體燃燒和抑制-II）試驗要解答的問題。

之所以要研究這個問題，并不是因為航天員要在飛船里燒烤，而是空間站里也要考慮消防問題。特別是在前往火星和深空的探索活動中，飛船上不可避免地要使用強電、高溫。消防問題能不能解決好，對航天員的安全意義重大。對火焰的更深刻理解，也能在地球上的消防和安全用火中起到很大作用。

研究期間，航天員對不同的固體航天器材料進行了測試，以了解它們燃燒的效應。在太空里，火焰也能將絕大多數氧氣轉化為二氧化碳，但不同氣流條件下的不同燃料樣品，產生的一氧化碳與二氧化碳的比例也不同。事實上，大多數燃燒生成物中，一氧化碳與二氧化碳的比率比地球上的火焰要高得多。這表明，有些物質在地球上燃燒后通常不會對人類健康構成威脅，在太空中可能會產生嚴重的風險。

▲ 空間站上觀測到的火焰

@材料科學

大多數材料是由部分或全部流體樣品形成的，熱和質量的傳遞固有地影響材料的形成及其合成特性。與重力有關的熱量和質量傳輸源的減少可用于確定物質形成過程如何受到重力驅動和重力獨立的熱質傳遞源的影響。

地球與空間科學

近地軌道空間站的存在為收集地球和空間數據提供了有利條件。它可以從大約400公里的高度獲取冰川、農田、城市和珊瑚礁等地面事物的信息。雖然用國際空間站來從事遙感活動的性價比遠不如無人的遙感衛星，但它具有兩個獨特價值，首先是可以為一些新型遙感器提供有人照料的在軌測試平臺；其次，人類可以在軌道上直接觀察地球，能夠獲得更加直觀的感受和激發靈感。

航天員還可以根據要觀察的對象不同，靈活更換窗口觀測研究設施（WORF）的傳感器系統和有效載荷。這是衛星很難做到的。

▲ 國際空間站上的瞭望臺是遙感地球的最好位置

▲ 國際空間站上看到的晨昏線

▲ 國際空間站上看到的歐洲夜景

▲ 國際空間站上看到的臺風

基礎物理

基礎物理的研究涉及空間、時間、能量和物質的組成部分。現代物理學的基本理論是以愛因斯坦的相對論和粒子物理的標準模型為基礎的。然而，作為科學家，我們知道這些理論所描繪的圖景仍然不完整。愛因斯坦的萬有引力理論還沒有得到證實，它與在所有尺度上定義其他自然力的理論是一致的。此外，最近的天文觀測和宇宙學模型強烈地表明，暗物質和暗能量，它們是沒有直接觀測到也根本不被理解的實體，在最大尺度上支配著這些相互作用。所有這些無法解釋的觀察和不一致之處都表明了發現新理論的潛力。國際空間站為長期微重力環境研究提供了一個現代化和設備齊全的軌道實驗室。對這種環境的常規和持續的訪問使得基礎物理研究可以從完全不同的角度進行。

國際空間站為一系列基礎物理實驗提供了一個獨特的空間實驗室，其規律和精度在地面上是無法實現的。空間環境用于實驗的一些優勢包括：長時間暴露在軌道自由下落環境中、易于測量重力勢能和相對運動的變化、研究天體上極小的加速度、減少大氣對光和無線電信號傳播的干擾、能夠跟蹤和適應天體軌道運動的長時間段。

▲ 國際空間站上的冷原子試驗設施

技術演示

國際空間站提供了一個能夠演示原型和系統的基礎設施，這些原型和系統可以為航天技術的研發提供條件。空間站、在軌機組人員、發射和返回飛行器以及操作控制中心都在支持演示未來探測任務所需的先進系統和作戰概念。

美國宇航局已經確定了國際空間站能夠支持的11個探測技術領域：

空間推進，空間動力和能源，機器人技術、遠程機器人技術和自主系統，通信和導航，生命支持和居住系統，勘探目的地系統，科學儀器，進入、下降和著陸系統，材料結構和制造，熱管理系統，操作流程和程序。

▲ 國際空間站上的維修區

國際空間站也會為一些新奇的人造物品開設試驗。例如意大利航天局（ASI）研制的便攜式3D打印機。在宇宙里進行3D打印的意義很大。國際空間站上也會遇到部件失靈、故障的問題，所以經常要準備大量耗材、占用大量艙內空間。有些無法備份的關鍵部件如果出現問題，就會影響國際空間站的正常運行。如果能采用3D打印來制造和修復一些部件，至少在收納空間上就能帶來大量節省，也提高了空間站的抗災能力。

意大利人的這次試驗并不是完美的，但是為人們提供了重要的數據，可以測量出3D打印樣品材料表面的粗糙度、密度和孔隙率以及內部缺陷和機械性能，為進一步改進打印機和材料設計奠定了基礎。

商業開發

▲ 對接在國際空間站上的畢格羅充氣實驗艙

隨著國際空間站科學研究模式的成熟，商業化的研究活動也逐步開展起來。商業化研究的市場是由幾個目標驅動的。首先，空間科學研究可能創造出過去無法實現的全新市場。其次，空間站研究讓很多產業和企業得以參與太空活動，代表著巨大的經濟機遇。第三，這不僅為未來的航天飛行，也為許多相關產業提供了強大的研發能力。