太空科學課（二十二）

太空熊貓君

2023年9月21日下午，“天宮課堂”第四課正式開講，神舟十六號乘組的航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在中國空間站里面向全國青少年進行太空科普授課。這一次，我們來到了新教室——夢天實驗艙。

同問天實驗艙一樣，夢天實驗艙也是主要用于開展空間科學與應用實驗的艙段。它的總長約9.2米，直徑4.2米，整體密封艙容積近110立方米，可以為航天員提供約32立方米的活動空間。夢天實驗艙采用由工作艙、載荷艙、貨物氣閘艙和資源艙組成四艙構型，艙內還設置了工作區、鍛煉區與存儲區。如果說問天實驗艙聚焦在生命科學研究上，那么夢天艙則可用來開展更多領域、更多類型的空間科學實驗。夢天艙艙內提供13個標準科學實驗柜的安裝空間，是中國空間站內科學實驗設備最多的一個艙段。艙外提供37個標準載荷接口，支持開展艙外實驗，可以支持流體物理、材料科學、燃燒科學等微重力物理科學的基礎研究，同時還能探究在軌制造、新型能源推進這些工程技術領域的前沿問題。

航天員老師們首先為我們介紹了夢天實驗艙的工作生活場景。隨著中國空間站首位載荷專家桂海潮老師的指引，天宮課堂的畫面停留在一個類似劃船機的器械上，原來，這是航天員們的鍛煉器械，叫作抗阻鍛煉裝置。它可以幫助航天員實現深蹲、提踵、聳肩、硬拉、劃船等動作進行力量鍛煉，用以對抗肌力下降、肌肉萎縮等問題。

在平臺設備區，放置了很多支撐夢天實驗艙正常運行的設備，包括液冷回路、電池、測控儀器等，保證了夢天艙舒適的工作環境，也為實驗設備的運行提供了必要的電、熱、氣的支持。

桂海潮還為我們展示了專用于貨物自動進出艙的貨物氣閘艙。它可以自動調節內部的氣壓，實現真空狀態和1個大氣壓兩種環境之間的切換。當內部氣壓為1個大氣壓時，航天員們不用換艙外航天服、不需要出艙，只要把貨物放在氣閘艙內部的載荷轉移機上，隨著貨物氣閘艙關閉艙門、將氣壓降至真空狀態，通過與艙外機械臂的密切配合，就可以將貨物轉移到艙外。貨物氣閘艙甚至還可以釋放小型的衛星呢！

接下來，航天員們為我們展示了夢天艙的實驗載荷區域。第一個出場的是兩相系統實驗柜。它是國際首個專門用于開展空間相變界面流動、蒸發與冷凝、沸騰和熱管傳熱、兩相流動、空間在軌流體管理等科學研究與技術驗證的整柜級實驗平臺。什么是兩相系統呢？在我們的生活中，可以把所有物質劃分成三種狀態——固態、液態和氣態。而物質的狀態之間可以互相轉換，將水燒開是液態轉變為氣態的汽化過程，而將鐵水澆筑成鐵鍋是液態轉變為固態的凝固過程。兩相系統實驗柜名字中的“兩相”，指的就是液態和氣態的物質。

兩相系統實驗柜旁邊，部署的是高精度時頻實驗柜。通過組合不同特性的原子鐘，它能夠向地面、向太空發射極高精度、極高穩定度的時間頻率信號。作為空間站中最復雜的實驗柜，高精度時頻實驗柜擁有世界第一套由主動氫原子鐘、冷原子銣鐘、冷原子光鐘組成的空間高精度時頻系統，可以在50億年時間里將誤差控制在1秒以內，是太空中最高精度的時間頻率系統。

高溫材料實驗柜則是利用太空微重力條件開展太空微重力材料科學實驗的重要平臺，具有材料的高溫加熱、定向凝固、梯度生長、快速冷卻、磁場攪拌、參數實時測量、實時觀察等功能，是我國最新一代的空間材料實驗裝置之一。柜中掛著很多細長的陶瓷管，名叫安瓿（bù）。航天員形象地把高溫材料實驗柜比作“太空煉丹爐”，因為實驗柜內溫度可高達1600攝氏度。 而第一批在“煉丹爐”里接受高溫考驗制備的材料，已經隨著神舟十五號航天員返回了地面，其中有一種材料具有非常好的柔性性能，可以任意彎曲、折疊，非常適合制作新型的晶體軟電子器件，有希望推動我國半導體技術的進步和升級換代。

說完了“煉丹爐”，我們再來看看世界上最冷的地方——那就是空間站中的超冷原子實驗柜。它可以制備出地面上無法實現的、溫度接近絕對零度的超低溫物質。這種物質的原子會呈現出肉眼可見的宏觀量子現象，可以幫助我們更好地探索量子力學的奇異世界。

超冷原子物理實驗柜旁邊是流體物理實驗柜。它利用微重力環境創造出了近乎理想的各項同性研究條件，可以用來開展空間流體動力學和復雜流體的科學實驗。在微重力環境中，流體會形成地面上無法構建的新體系，表現出許多新規律、新機制。

這么多的科學實驗柜，要是出現了故障怎么辦呢？科學家們可沒忘了這個問題，專門在空間站里設置了“太空維修工廠”——在線維修裝調操作柜。它具有超過360升的超大操作空間，配置了一款有七個自由度的小機械臂、一款VR眼鏡以及一個可移動的維修平臺，可以幫助航天員們完成對載荷的裝配、維修、清潔等精細操作。

雖然空間站里是嚴格禁火的，但是這并不妨礙科學家們在太空中研究燃燒現象。他們在燃燒科學實驗柜里就完成過在軌燃燒點火實驗。燃燒科學實驗柜可以實現燃燒的氣體供給、點火燃燒、圖像拍攝、廢氣排放等全自動流程，能夠對火焰的形貌、結構、溫度、速度、產物組分等信息進行精細化的測量。

最后一個出場的實驗柜是航天基礎實驗柜。目前它正在開展微藻的培養與孵化、液態金屬的空間熱管理等五個技術實驗項目。為什么要在太空里培養微藻呢？這是為了探索失重環境下微藻的產氧速率。這項研究可以幫助我們了解微藻制造氧氣的速率和哪些因素有關，進而提高產氧效率。同時，航天員們也要探究微藻食品的原位加工技術，也就是如何在太空站將微藻直接加工成可供航天員食用的食品。試想一下，如果微藻可以提供充足的氧氣，并且可以為航天員提供足夠的食物，我國的航天員就可以不再需要來自地面的氧氣和食物供給啦！甚至可以開啟星際遠航呢！