离地球越远手套箱越重要，院士谈空间上能做哪些实验VI

离我国空间科学的发展和展望

2017年，研究人员在天舟一号货运飞船上开展了我国大规模的空间细胞（干细胞）培养。8种共48个培养室中全部细胞增殖和分化正常，取得丰富成果。与地面相比，空间中细胞分化发育时间普遍提前。研究人员在微重力条件下观察到体外诱导人类胚胎干细胞获得的原始生殖细胞。

在微重力条件下观察到体外诱导人类胚胎干细胞获得原始生殖细胞

航天领域光谱成像仪的发展经历了三代。过去，光谱成像主要是对地观测中的一般图像和彩色图像。然而，随着技术的进步，现在每个像素都具有几十个甚至上百个波段，形成了一种新的光谱成像体制，被称为数据立方体或光谱立方体。2002年，神舟二号实现了这一技术，使中国成为第二个实现全谱段光谱成像的国家。

到了2011年，天宫一号成功发射，配备了高分辨率的成像光谱仪。而在2016年，天宫二号进一步升级，采用了宽波段的高光谱成像仪，并具备调整通道宽度的能力。这一突破性技术对于大气、地表以及环境水系等方面的研究具有重要意义，已经成为环境研究的重要工具。

天宫二号上宽幅全谱段高光谱通带可调成像光谱仪获得的图像

在天宫二号上，还发展了第二代云和大气偏振探测红外设备，这在国内尚属首台长波红外探测器，对于地表热传感能力具有重要意义。通过该仪器，我们可以观察到43毫开尔文的温度变化。例如在傍晚时，水体温度仍然偏高，而附近的庄稼和山林温度已经降低。同样地，城市中的房屋温度也相对较高。这些数据对于气候变化研究具有重要价值。

我国利用天宫二号上第二代云和大气偏振探测红外设备，观测到水云的高偏振虹圈现象和洋面耀斑偏振

三维成像雷达高度计也是地球科学领域的一项关键技术。虽然人类在过去变化的研究工作中取得了一些成果，但并不全面。然而，随着仪器技术的发展，三维成像雷达高度计为全国变化的研究和相关领域的应用提供了极其重要的手段。通过该仪器获取的海面波浪形态数据，可以揭示海洋动力现象，如海浪、海风等。这对于了解海陆地形附近的海洋现象具有重要意义。

天宫二号微波成像高度计获取的广东省雷州市和安镇、新寮镇、锦和镇、外罗镇沿海海陆交界及岛屿三维形貌

天宫二号微波成像高度计获取的十分清晰的海岸带和海洋浪涌现象

下面我将介绍载人空间站的科学任务及主要设施。去年我们国家成功建成了空间站组合体。这是我国历经近30年的载人航天积累的技术突破的结果，也是我国相关领域科学家们所期盼的。这为国内外科学家未来在这一领域的研究提供了重要的历史机遇。

空间站的主要目标是利用空间微重力辐射和突破大气屏障等特殊条件，研究生命物质运动的基本规律，同时也探索宇宙天体和地球系统科学的问题。主要研究方面包括生命科学人体研究、微重力科学、空间天文以及新技术实验等。我们期望通过10至15年的努力，推动我国基础科学研究和空间科学研究走向世界前沿。

目前，空间站是我国规模大、领域广的空间研究计划。下面我将简要介绍其中的一些实验装置。这些实验装置主要是以实验柜的形式存在的。实验柜是采用先进测试诊断技术的小型空间实验室，能够适应一系列不同领域的科学研究工作。

生命科学方面有两个主要的实验装置。生命生态科学实验柜是一个用于开展生物个体研究的实验柜，可以容纳植物、昆虫、小鼠以及微生物、水生生物等生物，以这些生物为对象开展个体水平上的空间生命科学基础和应用研究。

另外一个是生物技术科学实验柜，它主要应用于生命体的部件研究，如细胞、干细胞组织、类器官培养以及蛋白质生物分子的研究。这些研究需要大量的仪器支持，并配备生命保障条件来确保实验样品的安全运输和存储。实验结束后，样品可以被存储在低温存储装置中，既可以返回地面，也可以通过观察设备在天上获取部分研究成果。

左：生命生态科学实验柜 右：生物技术科学实验柜

在材料科学方面，我们也有两个主要装置。首先是静电悬浮的无容器材料科学实验柜，它通过静电作用使各种带电材料悬浮在一个容器中，并通过激光进行加热。这个实验柜可以用于研究材料的凝固、熔融和过冷现象，尤其是热物性的测试。目前已经完成金属锆，钛钴钆、锆钒、铌硅合金等大批研究，在轨获取了材料深过冷凝固再辉、结晶生长等重要科学数据。

实验过程——锆钒合金样品融化前(左)、融化后（中）和凝固后的状态（右）

其次是高温材料科学实验柜，它利用高温炉体对金属合金、无机材料以及光电子材料、纳米材料等进行熔融、凝固、处理。该实验柜具备X射线成像和原位检测能力。样品通常包裹在石英鞘体（安瓿瓶）中，装在批量样品管理模块里，从而使得这个装置每批可以处理16个样品。

高温材料科学实验柜

通用流体物理实验柜是流体研究的基本设备之一。它可用于开展流体动力学、复杂流体、其他透明体系材料、生物体等材料在微重力下的流体和传热传质实验研究。该实验柜配备了先进的光学诊断系统，包括数字全息技术等。实验容器可以根据需要更换，以便开展不同的实验。此外，还有两相流体实验柜，用于研究蒸发冷却、微重力下的蒸发冷却以及两相流动现象。它可用于相变传热研究和工程技术研究。

左：通用流体物理实验柜  右：两相流体实验柜

燃烧科学实验柜可以在封闭的燃烧室内进行气体、液体、固体的燃烧实验，通过插件来模拟不同类型的燃烧过程。该实验柜同样具备丰富的诊断设备，可用于开展近极限低碳燃烧、节能减排、发动机内外燃和材料防火等研究，以及研究燃烧过程中的化学动力学过程。

左：燃烧室和气体供给组件  中：光学板背面诊断设备  右：燃烧实验插件(气体)

超冷原子科学实验柜，可通过二维磁光阱、三维磁光阱和光阱蒸发对铷原子进行多级冷却，将铷原子的温度冷却到几个纳开尔文级别。该装置还具有光晶格，将铷原子装载到光晶格后可进行更丰富的超低温原子物理实验，比如开展极低温下量子新物态、声波黑洞等基础物理前沿研究。

高精度时间频率科学实验柜包括了主动氢钟、冷原子铷微波钟等。实验柜各项性能已经满足了高精度时间频率实验的要求，并可与位于密云、嘉定、西安地面固定站和流动站进行时频比对。该实验柜将提供高稳定度和准确度的时间频率，支持相对论洛伦兹不变性、精细结构常数测定、重力位测量等基础物理研究和广泛的应用研究。

左：超冷原子科学实验柜 中、右：高精度时间频率科学实验柜

 科学手套箱和低温存储柜可用于航天员直接操作科学实验，提供洁净密闭、环境可控、具有微操作能力、实验装置可更换且便于操作的手套箱。该装置支持生命科学和人体研究，材料科学和其他研究，同时可对生物样品进行低温保存，是空间站中航天员使用频繁的设备。

科学手套箱和低温存储柜

真空镀膜手套箱是一款整装可直接使用的标准型真空手设备，由主作业仓、主过渡舱、工具过渡舱、抽真空系统以及各个零部件组合而成，具有高密闭性、保压时间长、操作简单等特点，可满足院校科研和小批量生产的应用。手套箱为密闭循环设计，节约运行成本，在标准状况下，即20ºC恒温，一个标准大气压，99.999%的惰性气源，水氧目标均小于0.1ppm；箱体及大小过渡舱使用304不锈钢板，前视窗为钢化玻璃，耐磨防腐蚀；触摸屏PLC控制，自动化程度高，可实现：箱体内气体压力自动控制，箱体内气氛自动清洗，净化资料自动再生，系统运行数据自动记录等操作。