中国空间站舱外暴露实验，收获了哪些成果？

文/航星

2023 年10 月31 日，神舟十六号载人飞船返回舱成功着陆，随同带回了中国空间站第五批实验样品，包括19 项科学实验项目共22 种样品。在这些样品中，有一些是在舱外环境中完成太空实验的，有望利用特殊的太空环境，收获更大价值的科研和应用成果。

▲ 中国空间站开展舱外暴露实验

▲ 在航天员协助下开展舱外辐射生物学暴露实验

舱外暴露实验有讲究

简单地说，舱外暴露实验是将实验材料暴露于航天器舱外的太空环境中，利用复杂多样的太空环境因素，引发实验材料一系列微妙变化。航天员和地面团队需在实验过程中充分收集数据，分析样本变化机理，解析背后规律。

之所以要开展舱外暴露实验，是因为对于某些“极端”实验目标来说，空间站和飞船舱内的微重力环境已不能完全满足要求了，有必要在更接近真空、高辐射的条件下开展特殊的太空实验。

比如，在科学家眼中，更高的真空度、更强的宇宙辐射、更危险的宇宙碎片、更极端的温度变化等都是地面上不可多得的实验条件。此外，近地轨道上存在各种复杂物质，从直径仅有数微米的微流星体，到大气层边缘产生的原子氧，再到难以估量的有害辐射等，都为实验材料的特性变化提供了前提条件。

由于太空环境复杂恶劣，受限于航天员出舱任务间隔和舱外活动时长，参与舱外暴露实验的设备和材料需要具备相对独立运作的条件和更出色的可靠性，不必依赖航天员经常出舱照看。

▲ 舱外暴露实验样品盒与下行包裹

▲ 科研人员分析从太空返回地面的线虫

为此，科研人员设计了在轨监测系统，能够将生物样品生长发育状况和材料变化情况等实时传回地面。对于在轨实验进程的控制以及拍照录像、下达指令等工作，科研人员普遍都能在地面进行操作，与航天员配合，根据预先设定的科学流程来开展实验。

此外，神舟十六号载人飞船返回舱搭载的样品盒性能得到了成功验证。样品盒安全通过了太空运输系统上/下行阶段的剧烈振动、温度剧变等考验，可以保证生物样品处于5～20 摄氏度、0.8～1 个大气压的适宜环境范围内，还能在轨进行更精确地控制，使搭载环境对地球生物更加“友好”，有助于未来在轨进行更多舱外暴露生物学实验。

生物学实验成果喜人

舱外暴露实验主要包括生物学实验和材料两大类。中国空间站梦天实验舱舱外的生物学暴露实验装置包含生物培养、辐射测量、在线观测等多个子系统，可用于开展空间粒子辐射、微重力等环境要素对不同物种产生的生物学效应机制的研究。装置内设计了13 个装载生物材料样品的实验单元，可适用于植物种子、微生物孢子、休眠的小型动物等生物样品的长期暴露实验，为各类样品提供了所需的温度和气体环境，持续监测样品和样品环境状态，并测量空间辐射和阳光紫外数据等。

在此次返回地面的实验样品中，生物学（生命科学）实验样品主要包括人体的肝细胞和内皮细胞、拟南芥幼苗、线虫、生物大分子样本等，总重25 千克左右。部分样品陆续公开，包括线虫、微生物和植物种子等。

其中，线虫样品盒内含有野生型和10 多个不同突变株的秀丽隐杆线虫。这种线虫最大的仅能长到1 毫米，因个体小、生活周期短、后代数量多、易于空间搭载培养、便于进行遗传操作等优点，被认为是空间生命科学研究中的重要模式生物，可以用来探索太空环境对机体生长、发育、生殖、运动、衰老等方面的影响与作用机制。样品证实，中国空间站在世界上首次实现了在轨观测不同线虫个体全生命周期在空间的生长、发育以及组织器官、分子标志物的变化。

▲生物学暴露实验样本出舱

这批样品在轨暴露长达5个半月，被送回地面之后，研究团队的首要工作是观察其处于怎样的状态，能否存活，并根据各个科学目标去分析样品，希望进行空间辐射损伤评估与预警，并研发新型抗辐射药物，帮助降低空间辐射损伤恶果及健康风险等。

成果是令人鼓舞的，科研人员发现，在秀丽隐杆线虫体内出现了明显的DNA 损伤及相关分子变化。接下来，科研人员在此基础上筛选出一种抗辐射药物，尝试使用后，发现秀丽隐杆线虫的寿命和生殖状况有所改变，损伤效应也出现了一些缓解迹象。

科研团队后续将对这些样品进行生物学检测分析，通过与地面样品对比，希望进一步认识重力变化对细胞生命活动的作用规律，发展基于生物力学的空间细胞-组织动态培养新实验技术；探究重力效应对密码子起源的影响，为生命的化学起源理论体系提供重要的科学依据；解析长周期辐射对线虫休眠体的影响，尤其是遗传系统的损伤，分析空间辐射损伤的品质因子，构建空间辐射损伤评估模型，为辐射防护等提供指导。

更进一步，利用空间站暴露平台开展生物学实验，将为人体生物体辐射损伤、遗传变异、辐射防护药品制备以及辐射风险生物学评估提供技术支撑，对中国航天员在轨长期生存、载人登月等具有重要意义，还有望促进核医学、放射医学等研究进展。

材料实验意义重大

在暴露的太空环境中，微流星体、原子氧和各种宇宙射线对金属、塑料等材料有着异常强劲的腐蚀变质作用，会导致材料发生复杂的物理与化学变化，进而丧失固有特性。利用相关原理，科研人员通过将一批材料放置在舱外暴露平台上，充分经受太空特殊环境考验后，回收检测并研究材料的最终状态，有望判断材料的耐腐蚀性能，定向择优发展，合成性能更出色的新材料。

中国空间站材料舱外暴露实验分为舱外静态实验、动态摩擦学实验和原位观测实验。在舱外静态实验中，自2023 年3 月起，航天员配合地面先后在轨完成了组装、自检、机械臂转运到位等材料舱外暴露实验的准备工作后，百余种静态材料样品在轨暴露实验正式开始。在动态摩擦学实验中，科研人员通过对比测试，进一步观察固体润滑、液体凝胶等材料样品对轴承的影响。在原位观测实验中，科研人员对暴露在太空环境中的各种材料就地观测，并对一些材料样品进行了多次在轨拍照和数据分析。

▲ 中国空间站舱外暴露实验平台特写

神舟十六号载人飞船返回舱也搭载了若干材料科学实验样品。科研人员会对它们进行空间样品、地面样品组织及成分分布差异等对比测试分析，希望揭示微重力对材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备等影响机理，进而推动材料加工工艺的改进与优化，有望为核电密封、高压开关触头、磁制冷及高性能电子封装等领域材料以及下一代航天发动机、飞机起落架等关键材料制造提供理论和技术支撑。

此外，中国空间站内的高温材料实验柜和无容器实验柜实验系统同样为材料实验做出了巨大贡献。相关样品主要是高温合金类材料，有望为丰富材料凝固理论和指导材料设计提供科学依据。