今年，是中國首次載人飛行任務成功20周年。不久前，中國載人航天工程辦公室傳來喜訊：中國國傢太空實驗室已正式運行，空間應用正有序展開、成果頻現。
水稻種子在太空中發芽、抽穗、長出新稻種，第一團火苗受控在中國空間站燃燒30秒……據公開報道，截至目前，中國空間站已經在軌實施110個空間科學研究與應用項目，部分項目取得瞭階段性應用成果。
2022年底，中國空間站正式在軌建造完成，中國載人航天進入應用與發展階段，空間實驗和試驗成為載人航天工程最重要的任務。
作為中國航天史上規模最大、長期有人照料的空間實驗平臺，建成後的中國空間站成為國傢太空實驗室，問天實驗艙、夢天實驗艙、天和核心艙部署的多個實驗櫃可開展上千項科學實驗，惠及地球上普通人的生活。
那麼，太空實驗室裡究竟能做哪些科學探索？又跟我們有著怎樣的關聯呢？此刻，讓我們共同關註。
太空實驗室：點亮夢想的“天宮”
中國國傢太空實驗室內，航天員桂海潮和朱楊柱正在進行動量守恒實驗。圖片提供:中國載人航天工程辦公室
為什麼要去遙遠的太空做實驗
2022年10月31日，海南文昌，夢天實驗艙順利發射升空。飛行8分鐘後，夢天實驗艙與運載火箭順利分離，成功進入預定軌道。隨後，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，形成瞭T字基本構型。至此，中國空間站在軌建造完成。這也標志著中國國傢太空實驗室正式建成。
與之前升空的問天實驗艙不同，夢天實驗艙沒有睡眠區和衛生區，多出來的空間部署瞭更多的實驗機櫃，可以在軌開展多學科太空實驗。
面對建成的國傢太空實驗室，很多人提出疑問：為什麼要去遙遠的太空做實驗？在地球上做實驗不行嗎？
答案是顯而易見的。太空中的很多環境優勢，在地球上都無法模擬——
首先，跟地球上最大的不同是，太空實驗室創造瞭長時間的微重力條件。
在地球上，生活中處處可見重力帶來的影響：燒水時，水會沸騰，氣泡會上浮；水和油的混合物，靜置時會分層；植物發芽時，會向上生長，向下紮根；人長時間站立時，血液會因為重力作用湧向腿部，腿腳會浮腫……可以說，地球上的一切生命，包括動物、植物和微生物的生存、繁衍和進化，都是適應重力的結果。
相比地球，空間站上的重力隻有地球表面的千分之一到萬分之一。這為研究微重力條件下的各種自然現象創造瞭優越的實驗條件，讓一些被重力掩蓋的實驗現象得以顯現。
其中一個比較典型的例子就是燃燒。在太空中，火苗呈現球形，火勢也不會像在地球那樣快速蔓延。這是因為太空中火焰周圍被加熱的空氣，不再因為密度的不同而產生對流。
與此同時，太空實驗室創造的長時間的微重力條件還會影響一些基礎物理的實驗條件，讓科學傢在更高的精度上開展實驗，驗證引力波、光速、時間等基礎理論。這有助於開展探索宇宙起源、揭示物質本質和運動規律的基礎性科學實驗，以及面向空間生命科學、材料科學等一系列實驗。
除瞭能提供長時間、穩定的微重力和輻射環境，太空中弱磁場的特點也是地球上難以模擬的。
太空中磁場弱，成分復雜、能量高低不同的宇宙射線和高能粒子帶來瞭強烈的太空輻射，會損害航天器和電子設備的壽命，甚至會影響到航天器的安全運行。
但從另一方面來看，這也成為開展空間物理研究、高能天文觀測和粒子天體物理研究的必要條件——
空間站艙外，是強烈的太陽紫外線和高能宇宙射線。真空中，由於太陽光照射和陰影遮擋，實驗材料在高溫和極低溫的環境中快速冷熱交替。氧氣分子電離後產生的原子氧，對航天器的外層材料會產生顯著侵蝕。
為瞭研究這些復合環境條件產生的綜合效應，太空實驗室配備瞭艙外暴露實驗平臺，配置瞭多個標準載荷接口或大型載荷的掛點，用於研究太空極端環境對材料、電子器件、生物體和組織器官的影響。
正是微重力、強輻射、劇烈溫差變化等多種環境條件復合在一起，創造瞭地球實驗室難以具備的實驗條件。
“在這裡我們可以開展流體物理、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、新型能源推進等工程技術領域的前沿問題。”站在夢天實驗艙的實驗載荷區域，航天員桂海潮欣喜地說。
躬行踐履始玉成，行而不輟終致遠。選擇在遙遠的太空中建設實驗室，是一件非做不可的事，這對人類摸索在太空環境下如何生存，以及向著更深更遠的太空前進具有重要意義。
“太空抽屜”裡裝瞭啥
空間站裡，擺放整齊的實驗機櫃，承載瞭一個個具體的太空實驗項目。
別看這些實驗櫃看上去似乎一個樣，但內部的科學實驗系統差異很大。這些實驗機櫃身處微重力等特殊研究環境中，能夠用於支持開展艙內的各項技術試驗，針對制約我國航天長遠發展的關鍵技術開展一系列研究，為未來我國航天技術發展和空間應用提供有力的技術支撐。
每個實驗櫃由多個大小不一的載荷單元組成，整體看上去，一個個載荷單元就仿佛一個個“太空抽屜”。每一個“太空抽屜”裡，都承載著航天員的探索發現。
在中國空間站夢天實驗艙的高溫材料科學實驗櫃裡，一個個細長的陶瓷管整齊地掛在裡面。這些陶瓷管裡，裝的是不同材料做成的料棒。在太空，這些料棒會經歷幾十個小時甚至上百個小時的高溫考驗，鍛煉成材。
“這些材料樣品都是瞄準國傢重大需求的。”空間站高溫材料科學實驗系統一名主任設計師介紹，這些實驗樣品在完成科學實驗後，會隨航天員回到地面。
此前返回地面的實驗樣品中，不少樣品經過太空實驗的制備後具備瞭優異的性能。
硒化銦半導體材料，是第一批在空間站裡接受過高溫考驗制備的材料。據悉，這種半導體材料可以任意彎曲折疊，表現出非常優異的柔性性能，適用於制作晶體管材料。
今天，許多電子設備向可折疊、便攜帶方向發展，柔性半導體材料不僅市場急需，也是未來科技發展重要的基礎材料。可以預測，如果硒化銦半導體材料能夠具備大量生產制備的條件，那麼它將具有廣闊的應用前景。
在太空實驗室裡的另外一個實驗機櫃裡，其中一個“太空抽屜”同樣帶來瞭令人驚喜的成果——斯特林熱電轉換技術完成在軌驗證。
斯特林熱電轉換試驗裝置是一種外燃式發電機。通過外部加熱，機器內部的氦氣便會吸熱膨脹，並在冷端收縮，將溫差變成自己動力的源泉。
現階段，中國空間站主要使用太陽能電池發電。但隨著航天器距離太陽越來越遠，太陽能電池組的效率明顯下降，甚至不起作用。未來，如果人類的腳步踏入更遠的星際空間，太陽的光照將微乎其微，太陽能發電就指望不上。
此時，基於斯特林熱電轉換技術研制的斯特林電源系統作為一種高效能源技術，具有高效率、結構簡單、質量輕、啟動快等優點，或將在未來成為人類探測深空一項必不可少的技術。
像這樣的實驗櫃，太空實驗室內還有很多。
據悉，早在2022年4月，中國就宣佈空間站向聯合國會員國開放。消息一經發出，很多國傢紛紛遞交申請書，希望能在這些實驗櫃裡獲得“一席之地”。目前，來自瑞士、波蘭、德國、意大利等17個國傢的9個科學實驗項目被確定入選中國空間站。
一個小小的“太空抽屜”裡，裝進瞭人們對大千世界的探索和追問。有人曾說，研究一個實驗櫃，復雜程度不亞於研究一顆衛星。
這一個個科學實驗櫃，相當於把實驗室搬進太空，在方寸之地滿足生命科學、材料科學、基礎物理等學科領域數百項科學研究與應用項目的研究需求。
宇宙那麼大，人類應該去看看。我們期待著，從中國國傢太空實驗室傳來更多新發現、新成果。
太空實驗室成果服務於民、造福於民
太空很遠，但太空實驗室的科研應用成果，離普通人的生活並不遙遠。
2022年12月，隨神舟十四號飛船返回艙下行的中國空間站第三批空間科學實驗樣品交付空間應用系統，其中就包括中國人主要的糧食作物，也是未來載人深空探測生命支持系統的主要候選糧食作物——水稻種子。
區別於地面上的植物種植，在太空實驗櫃裡，植物生長不依賴陽光，而是通過地面的科研人員調整人工光，遙控植物的生長環境。
此番，中國科學傢首次完成瞭水稻“從種子到種子”120天全生命周期培養實驗。這在國際上也是首次，有望促進地面新品種水稻株系培育和高產增收。
這些種子樣品從太空中返回地球後，就被送到位於上海的中國科學院分子植物科學卓越創新中心。在這裡的實驗室，科研人員把從空間站收獲的水稻種子放在地面的人工氣候室進行繁殖，一部分種子已經繁殖到下一代，另一部分種子正在開展營養成分的分析。
觀察這些種子，科研人員驚訝地發現：“在天上，水稻的淀粉變得比較粉質，裡面的糖多一些，味道也更甜。而且，天上的種子形狀跟地面的不一樣，地面的大米有點扁，天上的大米長得更圓。”
通過研究，科研人員進一步發現，在空間微重力環境下，水稻葉片表面和稻殼表面的超微結構發生瞭明顯的變化，這可能是水稻抵抗空間微重力下熱濕環境的適應性反應。
科研人員表示：“將來人類要進行深空探測，比如我們‘駐月’‘登火’，都需要糧食生產，這就需要一代又一代的種子進行繁殖。未來我們還需要瞭解，在天上播種兩代、三代或者更多代的種子能否穩定。”
從1987年我國首次將水稻、辣椒等農作物送上太空，開啟太空育種的探索之旅直到現在，30多年來，我國已經先後30多次把植物的種子菌種試管苗等送上太空。這些種子和幼苗經歷過太空嚴苛環境的鍛煉之後，回到地面再經過培育和優選，產生瞭近千個植物新品種，惠及百姓的生活。
“造船為建站，建站為應用。”這是中國載人航天工程建設發展的初衷。這些年來，這一初衷從未改變。截至目前，中國載人航天工程自1992年立項實施以來，已有4000餘項成果廣泛應用於國傢各行各業——
空間生命科學研究成果，已經有許多直接應用於生物材料、藥物、醫療和農業技術。
微重力流體、燃燒和材料科學等方面的研究成果，為解決國傢材料短板問題作出瞭貢獻，有的成果已廣泛應用於新能源汽車、智能終端設備的量產零部件中。
航天醫學實驗領域，開展瞭長期航天飛行條件下失重、輻射等復合因素對航天員健康、行為與能力的影響等原創性機理探索和應用基礎研究，在人體心血管、骨骼等方面獲得瞭航天醫學新發現……
如今，更多關於太空奧秘的探索正在太空實驗室裡有序開展。與之相伴，未來將有更多從太空實驗室裡孵化的科技成果，轉化為實實在在的應用，助力國傢經濟社會高質量發展，最大程度地惠及民生。
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