位于中國空間站問天實驗艙的部分科學實驗設施示意圖。圖片來源：中國科學院空間應用工程與技術中心
日前，神舟十八號航天員乘組圓滿完成第二次出艙活動。截至目前，神舟十八號航天員乘組的太空之旅已完成近半，后續還將在軌開展大量科學實驗與技術試驗。
中國空間站部署了科學實驗柜等具有國際領先水平的空間科學研究與應用設施，能夠在軌支持空間生命科學與生物技術、空間材料科學、微重力基礎物理、微重力流體物理等諸多領域的研究與應用。進入應用與發展階段后，中國空間站已成為我國覆蓋空間科學相關學科領域最全、在軌支撐能力最強、兼備有人參與和上下行運輸等獨特優勢的國家太空實驗室，各項應用有序展開、成果頻現。
空間站提供科研新路徑
近日，中國科學院院士、西北工業大學教授魏炳波團隊在中國空間站開展的高性能難熔合金研究取得新進展，成功取得難熔合金熔體的關鍵熱物理性質等多項空間材料凝固制備科學新發現，為中國空間材料科學理論研究、新型高性能的難熔合金材料制備等奠定重要基礎。
高性能難熔合金是戰略性、特種稀有金屬材料，熔點通常超過2000攝氏度，具有“超高溫、高活性”等特征，常被用于制造高溫、高速、高壓等關鍵部件。在地面環境下，難熔合金研究受重力、容器等條件制約，而中國空間站無容器材料實驗柜提供的“無容器+長時微重力”環境，為高性能難熔合金研究提供了新的路徑。
2021年，無容器材料實驗柜隨天和核心艙發射升空。無容器材料實驗柜可利用靜電場所提供的電場力，使材料樣品在真空環境中保持穩定懸浮狀態，避免與容器壁接觸的影響，加熱溫度可達3000攝氏度，可進行金屬、非金屬等無容器深過冷凝固和熱物理性研究。
據介紹，魏炳波團隊制備的10余種數百個高性能難熔合金樣品，先后在無容器材料實驗柜進行了6批次在軌實驗，成功完成難熔合金微重力條件下的靜電懸浮、加熱熔化、降溫、過冷、凝固、熱物理性質測定等重要實驗，其中，4批次難熔合金已搭乘神舟飛船返回艙回到地面。
除了無容器材料實驗柜之外，天和核心艙內還有高微重力實驗柜，為航天醫學分析、基礎物理研究等提供理想的微重力實驗環境。問天實驗艙部署了生命生態實驗柜、生物技術實驗柜、科學手套箱與低溫存儲柜、變重力科學實驗柜以及艙外暴露實驗裝置等科學實驗設施。夢天實驗艙則配置了13個標準載荷機柜，目前已裝載了超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學實驗柜、兩相系統實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學實驗柜等實驗“神器”，主要面向微重力科學研究。
航天員參與更有成就感
今年4月，神舟十七號飛船順利返回地球，中國空間站第六批空間科學實驗樣品也隨之返回。下行返回的科學實驗樣品涉及23個科學實驗項目，包括人成骨細胞、骨髓間充質干細胞、蛋白質晶體、生命有機分子、種子等32種生命類實驗樣品以及無容器材料、高溫材料和艙外暴露材料等18種材料類實驗樣品，總重量約31.5公斤。
神舟十七號任務期間，航天員乘組在地面科研人員的精心配合下，在空間生命科學、航天醫學、空間材料科學、微重力流體物理等方面，開展了84項空間應用在軌實(試)驗，生成了200多項實(試)驗樣品。
航天員唐勝杰說，在軌科學實(試)驗最有成就感。作為“太空菜農”，神舟十七號航天員在“太空菜園”種植了生菜、櫻桃番茄等多種蔬菜品種。在微重力環境下給蔬菜澆水，水滴會漂浮在根系的表面，不易被基質吸收，需要用特殊的裝置進行補水。航天員還通過不斷地實踐摸索，逐漸掌握了在微重力環境下種植蔬菜的技巧。不僅使小小的種子體積變小、方便夾取，也不會影響種子的萌出和發芽。
實驗樣品將如何進行研究？以生命類實驗樣品為例，科學家將對返回的生命類細胞樣品進行轉錄組測序、蛋白組學檢測等生物學分析，通過微重力環境下細胞生物學機制研究，為相關疾病預防與干預提供新的線索；對生命類蛋白質樣品進行晶體衍射分析，獲得更精準的蛋白質三維結構信息，研究靶點蛋白，為相關藥物研制、疫苗開發提供技術支撐。
堅持應用為綱效益為先
神舟十八號航乘組在軌工作期間，將利用艙內科學實驗機柜和艙外載荷，在微重力基礎物理、空間材料科學、空間生命科學、航天醫學、航天技術等領域開展90余項試(實)驗。
目前，神舟十八號乘組3名航天員已經開展了大量在軌實驗和試驗工作。比如，乘組利用生命生態實驗柜，開展空間先進水生生保系統關鍵技術研究實驗項目，完成了4條斑馬魚和金魚藻實驗組件水樣樣品采集和魚食盒更換等操作，發現了斑馬魚在微重力環境下表現出腹背顛倒游泳、旋轉運動、轉圈等定向行為異常現象。后續，科學家將利用返回的回收水樣、魚卵等樣品，結合相關視頻開展空間環境對脊椎動物生長發育與行為的影響研究，同時為空間密閉生態系統物質循環研究提供支撐。
目前，神十八航天員完成了無容器材料實驗柜實驗腔體的樣品更換、軸心機構維護工作，以保障空間科學實驗的連續性、準確性和安全性，確保實驗設備和實驗環境狀態穩定，相關實驗項目順利推進。此外，乘組還對夢天實驗艙的燃燒科學實驗柜進行了燃燒器更換、抽真空排廢氣等操作，并且完成了燃燒電磁閥轉接線纜安裝。2023年，燃燒科學實驗柜成功實施了首次在軌點火實驗，近一年來，已開展了多項燃燒實驗，有望產出一批代表性的科研成果，對于完善燃燒基礎理論、發展先進燃燒技術具有重要意義。
利用高溫科學實驗柜開展的新型材料空間生長研究項目，中國首次在空間獲得了地面難以制備的高質量晶體材料，對高性能多元半導體合金材料制備具有指導作用；利用生物技術實驗柜開展的人骨細胞定向分化的分子靶點研究、對骨骼肌影響的生物學基礎研究等項目，取得的成果為促進骨折、脊柱損傷修復等骨質疾病的防治以及對抗肌萎縮、防治代謝性疾病提供了新的解決方案……中國載人航天工程新聞發言人、中國載人航天工程辦公室副主任林西強此前表示，中國空間站已在軌實施了130多個科學研究與應用項目，在空間生命科學、航天醫學、空間材料科學、微重力流體物理等方向取得重要成果。中國將繼續堅持應用為綱、效益為先，充分發揮國家太空實驗室平臺優勢，持續產出更多高水平成果。
