太空实验：解决地球上无法完成的实验

今年年底，中国天宫空间站将在轨建造完成。凭借多达25台舱内科学实验机柜、数十个舱外实验载荷挂点与大型舱外实验平台，中国空间站最终将会建成世界一流的国家太空实验室，可以支持开展单学科或跨学科的空间科学实验，为全人类拓展科学认知的边界。那么，在太空中进行科学实验有哪些优势与意义呢？

舱内实验：完美的微重力实验环境

与地面相比，空间站最大的特点便是微重力环境，也就是我们常说的失重。在此条件下诸多物理现象、化学反应、生物行为都将有与地面截然不同的表现，利用在轨的微重力环境可以进行在地面无法实现的科学研究。

受重力影响，在地面获得蛋白质晶体时往往会产生缺陷。得益于太空中的微重力环境，缺陷难以形成，可以培育近乎完美的大颗粒蛋白质晶体，进行更加精确的结构表征，对药物设计、重大疾病治愈等医学研究大有裨益。这一点已经在国际空间站得以实现，如俄罗斯在今年3月联盟MS-21载人飞船发射升空时，携带了冠状病毒核衣壳蛋白。该种蛋白涉及冠状病毒的感染、复制、变异等多个过程，通过对其进行在轨研究有助于科学家了解冠状病毒感染人体的机理与变异的机制，帮助人类更有效地对抗病毒。

航天员长期在轨生活时，身体与心理会产生一系列变化，诸如肌肉萎缩、骨质流失与体液转移。中国空间站“天和”核心舱的人系统研究机柜用来研究失重、高辐射的太空环境对人体脑组织、心血管、视功能等人体机能的影响。这对维持航天员在轨生活的身心健康有重要意义，对未来长达半年的载人登火旅程也具有比较超前的参考价值。

中国空间站“问天”实验舱则搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱与低温存储柜、变重力科学实验柜，充分利用在轨独树一帜的空间环境条件进行科学研究。其中，生命生态实验柜的主要工作简单来说就是要“太空种菜”和“太空养殖”，在微重力环境下观察各种生物个体的生长发育情况，近期将开展拟南芥、果蝇、斑马鱼等动植物的在轨培养，为未来更加复杂的空间生物培育技术打下基础。

生物技术实验柜用于研究比生物个体更加低层次的生物对象，如生物组织、生物细胞、生物分子等。该实验柜也具有空间蛋白质结晶能力，同时可以进行生物细胞与组织的培养，对药物研发、农业生产、环境保护等事关人民日常生活的科学议题提供有力支持。

科学手套箱与低温存储柜是地面上进行科学研究也会经常使用的仪器，问天实验舱的科学手套箱内还配备了一支小型机械臂，可以在温度、湿度、气体氛围等因素完全可控的密闭环境内进行极其精细的操作，诸如对细胞进行细胞核提取、染色体切割、基因注射等工作。

当然，除了微重力外，我们还可以通过旋转离心等方式制造“人工重力”，变重力科学实验柜的用途就是如此，它可以提供0.01 g到2 g的不同重力环境，模拟微重力、月球重力、火星重力等不同重力条件下的复杂流体等物理问题。

“梦天”实验舱将携带更多的实验机柜，研究内容囊括两相系统、燃烧科学、高温材料科学、高精度时频物理学、流体物理学、超冷原子物理学等众多前沿科学技术，为基础科学、航空航天有关技术提供有力支持。

舱外实验：直面太空的实验条件

空间站舱内为航天员提供了宜居的环境，但一步之遥的舱外却险象环生——更高的真空度、更强的宇宙辐射、更危险的宇宙碎片、更极端的温度变化。但是，这些极端条件却是地表不可多得的实验条件，许多科学实验需要到舱外才得以进行。中国空间站在舱外部署了能量粒子探测器、等离子体原位成像探测器等设备，除了用于探测空间环境外，还可以为航天员的在轨安全提供保障。

国际空间站拥有数十个舱外实验载荷平台，中国空间站问天实验舱的舱外暴露实验平台配置22个标准载荷接口，梦天实验舱则配置多达30个标准载荷接口。这些舱外实验载荷接口位置不同，诸如面向飞行方向前方的接口会直面高层大气分子的“吹拂”，可以进行舱外各种材料的空间暴露科学实验，对其空间暴露的特性与寿命等性质进行探索，研发更加先进的空间材料。

进行舱外实验需要航天员的协助。我国在神舟七号首次出舱任务时就进行了固体润滑材料的在轨试验，将中科院提供的固体润滑材料在外太空暴露后，由航天员翟志刚在出舱行走时成功取回。这是我国首次由航天员在舱外开展的空间材料试验项目，也是我国首次暴露于外太空环境并成功回收的空间材料试验样品。

当然，得益于先进的机械臂等设备，中国空间站拥有更加完备的舱外实验能力。中国空间站“天和”核心舱配备有长达10米的大机械臂，“问天”实验舱配备有长达5米、精度更高的小机械臂。在这两款神器的帮助下，航天员可以在舱内操纵，对舱外暴露的实验材料进行布放、移动与回收，减少出舱次数，大大优化了航天员的工作量并提高了舱外实验效率。

当然，微重力的环境也给太空生活增添了许多乐趣，中国已经在轨进行了多次“天宫课堂”直播授课活动，全国乃至全球的小朋友都通过电视直播画面领略了失重状态下梦幻的物理化学现象。通过过饱和溶液点水成冰、水的表面张力产生大水球、失重状态下水油不再分层、利用角动量进行太空转身等太空小实验，让来自天南海北的学子们感受到太空的无限魅力，点燃他们对探索未知、遨游宇宙的无限热情，在他们心中播撒下一颗颗年轻的太空种子。