繞地飛行的太空實驗

朱林崎

在中國空間站的3個艙中，載有許多用于開展科學實驗的機柜

?太空中的實驗室，有什么特別之處？

2022年，隨著夢天實驗艙與天和核心艙完成對接，中國空間站由兩艙變成三艙，這也標志著中國國家太空實驗室（以下簡稱太空實驗室）正式建成。2023年，太空實驗室正式運行，目前已經(jīng)圓滿完成了上百項實驗，取得了許多令人矚目的成果。

航天員在空間站戴上“小紅帽”，進行腦電測試實驗（繪圖/駱玫）

不同于地球表面，太空實驗室與眾不同的空間環(huán)境，使其具有一些特殊的特征：

微重力環(huán)境

在空間站，所有的物體都保持在接近完全失重的狀態(tài)，幾乎不受重力影響，這樣的環(huán)境即微重力環(huán)境。因此，微重力環(huán)境下的太空實驗室，可以觀測到許多地面重力效應掩蓋下的現(xiàn)象。

各種極端條件

空間站所處的極端條件包括極熱和極冷循環(huán)、高真空、原子氧侵蝕、太陽紫外輻射和宇宙高能射線輻射等。這些特殊環(huán)境在地面模擬起來成本較高，太空實驗室就成了開展相應研究的獨特資源。

例如，在空間站接收到的宇宙射線復雜程度非同一般，太空實驗室因而具備開展輻射生物學等研究的有利條件，同時也是開展高能天文觀測和粒子天體物理研究的必要條件。

那么，太空實驗室里都開展了哪些實驗呢？

“小紅帽”，大能力?

在太空實驗室中，航天員戴上了一頂不同尋常的“小紅帽”。這頂“帽子”賦予他們神奇的能力——無需言語，無需動作，僅僅通過思維就能給電腦下指令，操控各種設備。這聽起來像是從科幻電影中跳出來的情節(jié)，但其實，是在太空實驗室開展的腦電測試實驗。

這頂“小紅帽”叫作腦電帽，里面嵌入了眾多微小的觸頭，它們像一群明察秋毫的小偵探，精準捕捉大腦每一個微妙的波動。通過將捕捉到的腦電信號轉(zhuǎn)化為可識別的數(shù)據(jù)，就像解讀代碼一樣，就可以“讀懂”航天員的大腦活動了！

太空，這個充滿未知的領域，對大腦活動的影響仍是一個謎。認知能力在太空是否會變?nèi)酰看竽X如何自我調(diào)整以適應極端環(huán)境？這些問題對于長期太空探索至關重要。“小紅帽”采集的數(shù)據(jù)可以幫助科學家了解航天員在太空環(huán)境中大腦的功能狀態(tài)，監(jiān)測他們是否感到疲憊，保障他們的身心健康，同時也為觀察大腦如何適應太空環(huán)境提供了寶貴的視角。

?了解火焰，得上天！

地面上的火苗為什么是淚滴形的？

3000多年前，古人就用看火來形容觀察事物的透徹程度，即所謂的“洞若觀火”。但事實上，看似簡單的火焰，其實是一場復雜的“表演”，依賴于流體力學、化學反應等多種學科的結(jié)合，影響因素也非常多。

在地面上，當你點燃一根蠟燭，它會舞動著亮橘色淚滴形的火焰。這是因為，火焰燃燒時，周圍的空氣被加熱，重力這雙無形的“魔手”指揮著熱空氣上浮、冷空氣下沉，從而形成空氣對流，托著火焰向上延伸，于是呈現(xiàn)出淚滴形的火苗。

蠟燭在地面（左）和在太空（右）燃燒的火焰對比（來源/美國國家航空航天局）

太空環(huán)境中的火苗是什么樣的？

在太空中，微重力的環(huán)境導致重力效應幾乎消失，火焰周圍也就難以產(chǎn)生對流，燃燒后的氣體向各個方向運動的趨勢都一樣，使得火焰變成了一個球形的“矮胖子”；同時，由于燃燒過程更加穩(wěn)定和均勻，火焰也變成了藍色。

這個變化揭示了一個重要的科學道理，即：在地球上，火焰的一些特性被重力效應所遮蓋，這使人們很難深入理解燃燒的本質(zhì)；而在太空環(huán)境中，重力效應幾乎消失，科學家可以驗證和發(fā)展地面無法觀測的燃燒現(xiàn)象及機理，并為如何在地球上提升燃燒效率和更好地節(jié)能減排提供新思路。同時，這樣的研究還有助于盡早發(fā)現(xiàn)航天器火災隱患，開發(fā)更安全的太空滅火技術。

燃燒科學實驗柜

為太空觀火設計的“慧眼”

為了揭開火焰的秘密，中國科學家給太空實驗室量身定制了一個高科技裝置——燃燒科學實驗柜。這個實驗柜是個工作“多面手”，可以全自動地進行氣體、液體和固體各種燃料的燃燒實驗；它還是個拍照達人，每秒能拍攝3000～5000張照片，是科學家觀察火焰的“慧眼”。

2023年2月，燃燒科學實驗柜進行了首次點火測試，先后兩次點火共持續(xù)約30秒，成功展示了它的能力。它的任務有很多，要完成10個研究計劃，共計79項實驗目標，可謂重任在肩！

航天員正在安裝空間輻射生物學暴露實驗裝置（來源/中國載人航天工程辦公室）

生物學暴露實驗裝置（來源/中國載人航天工程辦公室）

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小小探險家，解鎖太空生存密碼

2023年6月，一支特別的探險“隊伍”被送往太空，開啟了不同凡響的太空之旅。這些“探險家”被安排在特殊的艙外“觀景房”中，盡管這里能夠保障適宜的空氣和溫度條件，但這場旅行卻仍然危機四伏、險象環(huán)生——強烈的宇宙輻射、飛馳的微流星體等，無一不是巨大的威脅。

這群“探險家”是誰？它們?yōu)楹螘⒓託埧岬摹疤丈嫣魬?zhàn)賽”？原來，它們是身長僅有1毫米、全身透明的線蟲。它們生存能力很強，且繁殖得快，在惡劣條件下能進入休眠狀態(tài)，暫停發(fā)育和進食，存活數(shù)月之久。更重要的是，線蟲對宇宙輻射和微重力的響應，與人類及其他哺乳動物有著驚人的相似性。因此，線蟲就成了太空輻射實驗的“寵兒”。

這些線蟲身體中的組織系統(tǒng)都被熒光標記，便于觀察其在太空的一舉一動。通過實時監(jiān)控，中國科學家們首次揭示了線蟲如何在太空中生長發(fā)育，以及如何適應極端輻射環(huán)境。5個半月后，這些線蟲帶著輻射損傷的印記歸來，為科研人員解鎖太空生存密碼提供了關鍵線索。科研人員還篩選出抗輻射的藥物，成功緩解了線蟲受到的傷害。此次實驗不僅是艙外輻射生物學暴露實驗的首次嘗試，也為理解太空極端環(huán)境下的生命現(xiàn)象開辟了新的道路。

顯微鏡下的線蟲

太空實驗室開啟了輝煌的序章，讓我們站在了探索未知世界的新起點上。未來10年，這里將開展近千項科學實驗，涵蓋空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用等多個領域。讓我們一同期待，這個科學探索的奇跡“工坊”，引領我們走向更加燦爛的科學新紀元。

（責任編輯 / 代竹蕊? ? 美術編輯 / 韋英章）