為了在“天宮”里做科研，中國科學家做了這些事情→

2023年9月15日，科普中國·星空講壇以“邁向高水平科技自立自強”為主題，邀請5位來自超導技術、海洋資源、航天科技、氣象預測、水利水電領域的專家，圍繞中國最具代表性的、切實造福百姓的五大科學與技術，聚焦“富民強國‘強’什么”，帶領公眾感受我國科技、科研工作背后的精神和魅力。

中國科學院空間應用工程與技術中心應用發(fā)展中心主任張偉教授帶來演講：我國太空探索的堅定一步。

我國自1992年載人航天工程立項，就確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。

我國載人航天工程的發(fā)展，演講者供圖

第一步，是發(fā)射載人飛船，開展空間應用實驗。

第二步，是突破發(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用問題。

第三步，是建設間站，解決有較大規(guī)模的，長期有人照料的空間應用問題。

2022年底，空間站全面建成了，這是我國太空探索的堅定一步，它已經(jīng)建成了國家的太空實驗室，進入10年甚至20年的空間應用與發(fā)展階段。

我們的空間站雖然比美國、俄羅斯等16個國家牽頭的國際空間站晚，但是我們的空間站以四分之一的國際空間站的規(guī)模，實現(xiàn)了三分之二數(shù)量的科學實驗柜和同等學科方向的支持能力，資源利用率非常高，而且我國的空間站是由我國自力更生、獨立自主建造的，體系非常完整，充分體現(xiàn)了我國載人航天技術和發(fā)展的進步。

“天地一體”的系統(tǒng)架構

為了實現(xiàn)對這么多任務的一個有力支撐，我們提出了“天地一體”的系統(tǒng)架構，包括集中架分布，也涉及這種開放靈活的架構。

天上：系統(tǒng)包括十幾個科學實驗柜、巡天空間望遠鏡，還有用高速光纖骨干網(wǎng)，把它們互聯(lián)起來。

地面：有任務研制支持系統(tǒng)、有效載荷運庫系統(tǒng)還有分布在全國各地的科學應用中心，這樣形成一個天地協(xié)同的科學研究與支持系統(tǒng)。

我們空間站的科學家在預控中心，可以直接通過我們的天地互聯(lián)電路，對空間站上的實驗進行實時的操作。覆蓋生命、流體、燃燒、材料、基礎物理等各個學科的10余個科學實驗柜的規(guī)劃，當時規(guī)劃的時候找準了國際前沿，指標非常先進。

“天宮”空間站，演講者供圖

包括兩項系統(tǒng)實驗柜，高危動力實驗柜，都是我國首次提出，滿足空間站開展國際前沿的科學研究需求。

巡天空間望遠鏡，也將與空間站共軌飛行，在必要時候它可以對接到空間站，由航天員對它進行維修維護，也可以更新更換模塊。

空間巡天望遠鏡，演講者供圖

它有2米口徑，具有5個后端模塊，分辨率與哈勃望遠鏡相當，而視場比哈勃大300倍，它通過10年的周期，對整個天區(qū)的42%進行巡天。

這個指標是非常高的，與整個國際空間的同期項目相比，它的角分辨率最高、視場最大、波段覆蓋最寬，是水平最高的空間設施。

目前，我們空間站已經(jīng)建造完成后，進入了長期的應用與發(fā)展階段。

復雜的大系統(tǒng)解決方案

我們空間站提出“天地協(xié)同、軟件驅動、數(shù)字孿生、動態(tài)開放”的復雜的大系統(tǒng)解決方案，建立了一個空間應用數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)實物研制和數(shù)字化研制雙流程并行，不停優(yōu)化迭代。

高效進行載荷研制和運營，同時通過高速光纖骨干網(wǎng)，建立了穩(wěn)定、可靠運行的高水平應用在軌共用支持條件，而且突破了科學實驗柜，輕量結構化，高度集成化的一個核心技術，是國際先進的一批空間實驗設施。

以無容器材料實驗柜和超冷原子物理實驗柜為例，來講一下我們的故事。

無容器實驗柜

這個項目立項最晚，但上天最早。

無容器材料實驗柜，就是要把材料樣品懸浮在空中，通過激光加熱來對它進行加工，制備所需要的材料。

在立項之初的時候，就確定了超越國際空間站，日本、歐洲的技術指標，包括對材料，支持種類還有熱物性側料等手段，都是國際最高水平。

空間科學實驗設施群，演講者供圖

為了實現(xiàn)這個目標，克服了很多困難，在3年內無容器實驗柜就經(jīng)歷了5代產品的研制，以非?？斓难兄扑俣冗M行了迭代，方案是要不斷優(yōu)化，指標在不斷提升，高質量實現(xiàn)按計劃發(fā)射。

樣品懸浮以后，由于隨著溫度的變化要對它加熱，它的電荷會發(fā)生翻轉，帶電量會變化，所以說經(jīng)常會掉下來，甚至說顆粒也會跑掉，所以在軌樣品懸浮，這個控制非常難，地面上對它進行操作，也是需要給它一些參數(shù)，也是難度很大。

為了攻關難題，我們研制了一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，復現(xiàn)在天上的一個裝置的狀態(tài)，實施仿真、模擬、及時地判斷天上設備的狀態(tài)，判斷問題，大大提升設備調試的效率。

調試無容器實驗柜時，國際空間站用兩年，而我們只用三個月，目前無容器實驗柜在天上穩(wěn)定運行，現(xiàn)在已經(jīng)成功開展了幾百個樣品的實驗，并產生了一系列成果。

超冷原子物理實驗柜

物質溫度越低，原子的偶極作用就越強，就越能發(fā)現(xiàn)新的物理機制。

為此，北大和中國科學院上海光機所的科學家聯(lián)合提出了兩級磁光阱加二級蒸發(fā)冷卻的創(chuàng)新方案，這比國際更進一步，所以研制難度非常大，大家可以看一下，要做的把地面上體積達20立方米，重量達10噸的一個超冷原子物理實驗系統(tǒng)要濃縮濃縮再濃縮，要進行大量的小型化研制，濃縮到1.5立方米，500公斤的科學實驗柜中，可以說這個難度非常大，研制最關鍵的階段就是集成調試實驗階段，恰巧是疫情最嚴峻的時候。

超冷原子實驗柜BEC，演講者供圖

為了保證研制任務的順利進行，中國科學院上海光機所成立上光尖刀連68位黨員和骨干選擇在疫情中“逆行”，封閉在所里，堅守在攻關第一線，3個月都在所里面攻關，白天和黑夜對他沒有區(qū)別，困了就在床上躺一會，然后醒了就接著干，就是這種精神，確保了科學實驗系統(tǒng)按時交付。

包括上光所所長陳衛(wèi)標，在疫情封控期間堅守單位，天天睡行軍床，在一線靠前指揮，可以說也給了成員們莫大的鼓勵。所以說尖刀連攻克超冷原子實驗柜的研制過程，就是對“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關、特別能奉獻”的一個載人航天精神的最好詮釋。

空間站的實驗

空間站在軌一年多，在空間生命科學、流體科學、材料科學等方面已開展了近百項實驗研究，它的成果在一點一滴地涌現(xiàn)，涓涓細流，將匯成江海。

空間站的植物培養(yǎng)箱

植物培養(yǎng)箱，能夠進行植物的長期培養(yǎng)，現(xiàn)在在天上首次實現(xiàn)水稻從種子到種子的一個全生命周期的發(fā)育。然后并且發(fā)現(xiàn)了調控開花和衰老的一些重要基因，通過這個我們希望能在分子水平改造水稻株型和種子品質新途徑，促進地面和空間新品種水稻的培育。

空間微重力條件下胚胎干細胞生長

演講者供圖

后續(xù)在植物方面，希望在分子、細胞、整體和親子代遺傳，多層次進行植物的研究，研究植物對重力的感知和響應，了解重力如何影響植物生長、發(fā)育和代謝，希望利用現(xiàn)代基因調控的手段，進行輻射誘變的育種，希望能在種業(yè)、農業(yè)、林業(yè)等方面取得一些新的發(fā)現(xiàn)和應用。

細胞研究

骨細胞、肌肉細胞、干細胞……多種細胞在空間進行培養(yǎng)和研究，取得一些初步成果。

空間細胞研究規(guī)劃，演講者供圖

比如說利用人類胚胎干細胞，體外培養(yǎng)出原始生殖細胞，進一步揭示人胚胎干細胞分化過程與微重力如何影響它，下一步需要做什么，在太空做生命孕育，希望在太空生出第一只小鼠，這肯定是國際首次的。

另外成功實現(xiàn)了人間充質干細胞的培養(yǎng)和成骨分化，希望探尋微重力導致骨質疏松的原因?？臻g細胞的研究也是長期的，包括植物、動物，重點開展太空條件下細胞的功能，生物化分子的研究，尤其是要深入開展干細胞研究，要發(fā)展再生醫(yī)學的手段，為地面組織器官的再生，再生這些提供新手段，新思路。

材料科學

兩個科學實驗設施，開展金屬合金、非晶材料等多種材料的研究和分析，首次獲得了殼/核結構組織相分離的合金復合材料，希望能推動復合導電材料、光敏材料、先進制氫材料，這些非常特別的相分離復合材料的研制；同時在太空發(fā)現(xiàn)了高溫難熔合金，就是鎳硅合金的一個快速共晶生長動力機理，為研制下一代航空發(fā)動機用的鈮合金材料奠定重要基礎。

多孔材料，演講者供圖

微重力條件，多種材料能很好合在一起，所以它能夠制備結構均勻、缺陷少、功能強的先進材料，未來希望能夠開展高性能的合金材料，比如航空發(fā)動機的單晶葉片，功能晶體，生物醫(yī)學材料，這些都重要運用在北京的材料研究上，希望能夠為解決國家“卡脖子”問題做出特有的貢獻。

當然這些成果，只是空間站運行以來取得的一些初步成果。空間站應用與發(fā)展階段，將滾動征集上千項科學研究項目在軌實施，將推動空間科學、空間技術、空間應用的全面發(fā)展。

空間科學方面

在暗物質探測、太空生命孕育、量子新物態(tài)，這些方面取得重大科學發(fā)現(xiàn)。

另外在天基時空的基準，我們有高精度冷原子鐘、在地月空間光通信及自主導航、太空智能制造與建造，這些關鍵核心技術方面取得突破，在應用方面希望能夠推動干細胞與再生醫(yī)學、先進材料研發(fā)、超低污染燃燒、超精密傳感器這些方面應用的進步，希望能夠服務于國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生命健康。

目前，我國載人登月任務已全面啟動。經(jīng)過前幾年的關鍵技術攻關和方案深化論證，我國載人登月任務已經(jīng)具備了很好的基礎，進入登月實施階段。

預計在2025年前后我國將實現(xiàn)載人環(huán)月飛行；在2030年前實現(xiàn)中國人登陸月球；在2030年后，希望能夠建造月球科研站，開展系統(tǒng)的月球探測，探索開發(fā)與利用月球資源。

策劃制作

責編丨金禹奮