為了在“天宮”里做科研，中國(guó)科學(xué)家做了這些事情→

2023年9月15日，科普中國(guó)·星空講壇以“邁向高水平科技自立自強(qiáng)”為主題，邀請(qǐng)5位來(lái)自超導(dǎo)技術(shù)、海洋資源、航天科技、氣象預(yù)測(cè)、水利水電領(lǐng)域的專(zhuān)家，圍繞中國(guó)最具代表性的、切實(shí)造福百姓的五大科學(xué)與技術(shù)，聚焦“富民強(qiáng)國(guó)‘強(qiáng)’什么”，帶領(lǐng)公眾感受我國(guó)科技、科研工作背后的精神和魅力。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉教授帶來(lái)演講：我國(guó)太空探索的堅(jiān)定一步。

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

我國(guó)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(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

第二步，是突破發(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，是建設(shè)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。

2022年底，空間站全面建成了，這是我國(guó)太空探索的堅(jiān)定一步，它已經(jīng)建成了國(guó)家的太空實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入10年甚至20年的空間應(yīng)用與發(fā)展階段。

我們的空間站雖然比美國(guó)、俄羅斯等16個(gè)國(guó)家牽頭的國(guó)際空間站晚，但是我們的空間站以四分之一的國(guó)際空間站的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了三分之二數(shù)量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和同等學(xué)科方向的支持能力，資源利用率非常高，而且我國(guó)的空間站是由我國(guó)自力更生、獨(dú)立自主建造的，體系非常完整，充分體現(xiàn)了我國(guó)載人航天技術(shù)和發(fā)展的進(jìn)步。

“天地一體”的系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這么多任務(wù)的一個(gè)有力支撐，我們提出了“天地一體”的系統(tǒng)架構(gòu)，包括集中架分布，也涉及這種開(kāi)放靈活的架構(gòu)。

天上：系統(tǒng)包括十幾個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、巡天空間望遠(yuǎn)鏡，還有用高速光纖骨干網(wǎng)，把它們互聯(lián)起來(lái)。

地面：有任務(wù)研制支持系統(tǒng)、有效載荷運(yùn)庫(kù)系統(tǒng)還有分布在全國(guó)各地的科學(xué)應(yīng)用中心，這樣形成一個(gè)天地協(xié)同的科學(xué)研究與支持系統(tǒng)。

我們空間站的科學(xué)家在預(yù)控中心，可以直接通過(guò)我們的天地互聯(lián)電路，對(duì)空間站上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的操作。覆蓋生命、流體、燃燒、材料、基礎(chǔ)物理等各個(gè)學(xué)科的10余個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的規(guī)劃，當(dāng)時(shí)規(guī)劃的時(shí)候找準(zhǔn)了國(guó)際前沿，指標(biāo)非常先進(jìn)。

“天宮”空間站，演講者供圖

包括兩項(xiàng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜，高危動(dòng)力實(shí)驗(yàn)柜，都是我國(guó)首次提出，滿(mǎn)足空間站開(kāi)展國(guó)際前沿的科學(xué)研究需求。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡，也將與空間站共軌飛行，在必要時(shí)候它可以對(duì)接到空間站，由航天員對(duì)它進(jìn)行維修維護(hù)，也可以更新更換模塊。

空間巡天望遠(yuǎn)鏡，演講者供圖

它有2米口徑，具有5個(gè)后端模塊，分辨率與哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，而視場(chǎng)比哈勃大300倍，它通過(guò)10年的周期，對(duì)整個(gè)天區(qū)的42%進(jìn)行巡天。

這個(gè)指標(biāo)是非常高的，與整個(gè)國(guó)際空間的同期項(xiàng)目相比，它的角分辨率最高、視場(chǎng)最大、波段覆蓋最寬，是水平最高的空間設(shè)施。

目前，我們空間站已經(jīng)建造完成后，進(jìn)入了長(zhǎng)期的應(yīng)用與發(fā)展階段。

復(fù)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(qū)動(dòng)、數(shù)字孿生、動(dòng)態(tài)開(kāi)放”的復(fù)雜的大系統(tǒng)解決方案，建立了一個(gè)空間應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)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(jìn)行載荷研制和運(yùn)營(yíng)，同時(shí)通過(guò)高速光纖骨干網(wǎng)，建立了穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的高水平應(yīng)用在軌共用支持條件，而且突破了科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，輕量結(jié)構(gòu)化，高度集成化的一個(gè)核心技術(shù)，是國(guó)際先進(jìn)的一批空間實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

以無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜和超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜為例，來(lái)講一下我們的故事。

無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜

這個(gè)項(xiàng)目立項(xiàng)最晚，但上天最早。

無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜，就是要把材料樣品懸浮在空中，通過(guò)激光加熱來(lái)對(duì)它進(jìn)行加工，制備所需要的材料。

在立項(xiàng)之初的時(shí)候，就確定了超越國(guó)際空間站，日本、歐洲的技術(shù)指標(biāo)，包括對(duì)材料，支持種類(lèi)還有熱物性側(cè)料等手段，都是國(guó)際最高水平。

空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施群，演講者供圖

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，克服了很多困難，在3年內(nèi)無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜就經(jīng)歷了5代產(chǎn)品的研制，以非常快的研制速度進(jìn)行了迭代，方案是要不斷優(yōu)化，指標(biāo)在不斷提升，高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃發(fā)射。

樣品懸浮以后，由于隨著溫度的變化要對(duì)它加熱，它的電荷會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，帶電量會(huì)變化，所以說(shuō)經(jīng)常會(huì)掉下來(lái)，甚至說(shuō)顆粒也會(huì)跑掉，所以在軌樣品懸浮，這個(gè)控制非常難，地面上對(duì)它進(jìn)行操作，也是需要給它一些參數(shù)，也是難度很大。

為了攻關(guān)難題，我們研制了一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)在天上的一個(gè)裝置的狀態(tài)，實(shí)施仿真、模擬、及時(shí)地判斷天上設(shè)備的狀態(tài)，判斷問(wèn)題，大大提升設(shè)備調(diào)試的效率。

調(diào)試無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜時(shí)，國(guó)際空間站用兩年，而我們只用三個(gè)月，目前無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜在天上穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)在已經(jīng)成功開(kāi)展了幾百個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)，并產(chǎn)生了一系列成果。

超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜

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

為此，北大和中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所的科學(xué)家聯(lián)合提出了兩級(jí)磁光阱加二級(jí)蒸發(fā)冷卻的創(chuàng)新方案，這比國(guó)際更進(jìn)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(dá)20立方米，重量達(dá)10噸的一個(gè)超冷原子物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要濃縮濃縮再濃縮，要進(jìn)行大量的小型化研制，濃縮到1.5立方米，500公斤的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中，可以說(shuō)這個(gè)難度非常大，研制最關(guān)鍵的階段就是集成調(diào)試實(shí)驗(yàn)階段，恰巧是疫情最嚴(yán)峻的時(shí)候。

超冷原子實(shí)驗(yàn)柜BEC，演講者供圖

為了保證研制任務(wù)的順利進(jìn)行，中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)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(jiān)守在攻關(guān)第一線(xiàn)，3個(gè)月都在所里面攻關(guān)，白天和黑夜對(duì)他沒(méi)有區(qū)別，困了就在床上躺一會(huì)，然后醒了就接著干，就是這種精神，確保了科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按時(shí)交付。

包括上光所所長(zhǎng)陳衛(wèi)標(biāo)，在疫情封控期間堅(jiān)守單位，天天睡行軍床，在一線(xiàn)靠前指揮，可以說(shuō)也給了成員們莫大的鼓勵(lì)。所以說(shuō)尖刀連攻克超冷原子實(shí)驗(yàn)柜的研制過(guò)程，就是對(duì)“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的一個(gè)載人航天精神的最好詮釋。

空間站的實(shí)驗(yàn)

空間站在軌一年多，在空間生命科學(xué)、流體科學(xué)、材料科學(xué)等方面已開(kāi)展了近百項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，它的成果在一點(diǎn)一滴地涌現(xiàn)，涓涓細(xì)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(jìn)行植物的長(zhǎng)期培養(yǎng)，現(xiàn)在在天上首次實(shí)現(xiàn)水稻從種子到種子的一個(gè)全生命周期的發(fā)育。然后并且發(fā)現(xiàn)了調(diào)控開(kāi)花和衰老的一些重要基因，通過(guò)這個(gè)我們希望能在分子水平改造水稻株型和種子品質(zhì)新途徑，促進(jìn)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(xì)胞生長(zhǎng)

演講者供圖

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

細(xì)胞研究

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

空間細(xì)胞研究規(guī)劃，演講者供圖

比如說(shuō)利用人類(lèi)胚胎干細(xì)胞，體外培養(yǎng)出原始生殖細(xì)胞，進(jìn)一步揭示人胚胎干細(xì)胞分化過(guò)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(guó)際首次的。

另外成功實(shí)現(xiàn)了人間充質(zhì)干細(xì)胞的培養(yǎng)和成骨分化，希望探尋微重力導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的原因。空間細(xì)胞的研究也是長(zhǎng)期的，包括植物、動(dòng)物，重點(diǎn)開(kāi)展太空條件下細(xì)胞的功能，生物化分子的研究，尤其是要深入開(kāi)展干細(xì)胞研究，要發(fā)展再生醫(yī)學(xué)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(xué)

兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，開(kāi)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(jié)構(gòu)組織相分離的合金復(fù)合材料，希望能推動(dòng)復(fù)合導(dǎo)電材料、光敏材料、先進(jìn)制氫材料，這些非常特別的相分離復(fù)合材料的研制；同時(shí)在太空發(fā)現(xiàn)了高溫難熔合金，就是鎳硅合金的一個(gè)快速共晶生長(zhǎng)動(dòng)力機(jī)理，為研制下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的鈮合金材料奠定重要基礎(chǔ)。

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(jié)構(gòu)均勻、缺陷少、功能強(qiáng)的先進(jìn)材料，未來(lái)希望能夠開(kāi)展高性能的合金材料，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片，功能晶體，生物醫(yī)學(xué)材料，這些都重要運(yùn)用在北京的材料研究上，希望能夠?yàn)榻鉀Q國(guó)家“卡脖子”問(wèn)題做出特有的貢獻(xiàn)。

當(dāng)然這些成果，只是空間站運(yùn)行以來(lái)取得的一些初步成果?？臻g站應(yīng)用與發(fā)展階段，將滾動(dòng)征集上千項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目在軌實(shí)施，將推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的全面發(fā)展。

空間科學(xué)方面

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

另外在天基時(shí)空的基準(zhǔn)，我們有高精度冷原子鐘、在地月空間光通信及自主導(dǎo)航、太空智能制造與建造，這些關(guān)鍵核心技術(shù)方面取得突破，在應(yīng)用方面希望能夠推動(dòng)干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)、先進(jìn)材料研發(fā)、超低污染燃燒、超精密傳感器這些方面應(yīng)用的進(jìn)步，希望能夠服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命健康。

目前，我國(guó)載人登月任務(wù)已全面啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)前幾年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案深化論證，我國(guó)載人登月任務(wù)已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)，進(jìn)入登月實(shí)施階段。

預(yù)計(jì)在2025年前后我國(guó)將實(shí)現(xiàn)載人環(huán)月飛行；在2030年前實(shí)現(xiàn)中國(guó)人登陸月球；在2030年后，希望能夠建造月球科研站，開(kāi)展系統(tǒng)的月球探測(cè)，探索開(kāi)發(fā)與利用月球資源。

策劃制作

責(zé)編丨金禹奮