太空科学课（二十二）

太空熊猫君

2023年9月21日下午，“天宫课堂”第四课正式开讲，神舟十六号乘组的航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮在中国空间站里面向全国青少年进行太空科普授课。这一次，我们来到了新教室——梦天实验舱。

同问天实验舱一样，梦天实验舱也是主要用于开展空间科学与应用实验的舱段。它的总长约9.2米，直径4.2米，整体密封舱容积近110立方米，可以为航天员提供约32立方米的活动空间。梦天实验舱采用由工作舱、载荷舱、货物气闸舱和资源舱组成四舱构型，舱内还设置了工作区、锻炼区与存储区。如果说问天实验舱聚焦在生命科学研究上，那么梦天舱则可用来开展更多领域、更多类型的空间科学实验。梦天舱舱内提供13个标准科学实验柜的安装空间，是中国空间站内科学实验设备最多的一个舱段。舱外提供37个标准载荷接口，支持开展舱外实验，可以支持流体物理、材料科学、燃烧科学等微重力物理科学的基础研究，同时还能探究在轨制造、新型能源推进这些工程技术领域的前沿问题。

航天员老师们首先为我们介绍了梦天实验舱的工作生活场景。随着中国空间站首位载荷专家桂海潮老师的指引，天宫课堂的画面停留在一个类似划船机的器械上，原来，这是航天员们的锻炼器械，叫作抗阻锻炼装置。它可以帮助航天员实现深蹲、提踵、耸肩、硬拉、划船等动作进行力量鍛炼，用以对抗肌力下降、肌肉萎缩等问题。

在平台设备区，放置了很多支撑梦天实验舱正常运行的设备，包括液冷回路、电池、测控仪器等，保证了梦天舱舒适的工作环境，也为实验设备的运行提供了必要的电、热、气的支持。

桂海潮还为我们展示了专用于货物自动进出舱的货物气闸舱。它可以自动调节内部的气压，实现真空状态和1个大气压两种环境之间的切换。当内部气压为1个大气压时，航天员们不用换舱外航天服、不需要出舱，只要把货物放在气闸舱内部的载荷转移机上，随着货物气闸舱关闭舱门、将气压降至真空状态，通过与舱外机械臂的密切配合，就可以将货物转移到舱外。货物气闸舱甚至还可以释放小型的卫星呢！

接下来，航天员们为我们展示了梦天舱的实验载荷区域。第一个出场的是两相系统实验柜。它是国际首个专门用于开展空间相变界面流动、蒸发与冷凝、沸腾和热管传热、两相流动、空间在轨流体管理等科学研究与技术验证的整柜级实验平台。什么是两相系统呢？在我们的生活中，可以把所有物质划分成三种状态——固态、液态和气态。而物质的状态之间可以互相转换，将水烧开是液态转变为气态的汽化过程，而将铁水浇筑成铁锅是液态转变为固态的凝固过程。两相系统实验柜名字中的“两相”，指的就是液态和气态的物质。

两相系统实验柜旁边，部署的是高精度时频实验柜。通过组合不同特性的原子钟，它能够向地面、向太空发射极高精度、极高稳定度的时间频率信号。作为空间站中最复杂的实验柜，高精度时频实验柜拥有世界第一套由主动氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统，可以在50亿年时间里将误差控制在1秒以内，是太空中最高精度的时间频率系统。

高温材料实验柜则是利用太空微重力条件开展太空微重力材料科学实验的重要平台，具有材料的高温加热、定向凝固、梯度生长、快速冷却、磁场搅拌、参数实时测量、实时观察等功能，是我国最新一代的空间材料实验装置之一。柜中挂着很多细长的陶瓷管，名叫安瓿（bù）。航天员形象地把高温材料实验柜比作“太空炼丹炉”，因为实验柜内温度可高达1600摄氏度。 而第一批在“炼丹炉”里接受高温考验制备的材料，已经随着神舟十五号航天员返回了地面，其中有一种材料具有非常好的柔性性能，可以任意弯曲、折叠，非常适合制作新型的晶体软电子器件，有希望推动我国半导体技术的进步和升级换代。

说完了“炼丹炉”，我们再来看看世界上最冷的地方——那就是空间站中的超冷原子实验柜。它可以制备出地面上无法实现的、温度接近绝对零度的超低温物质。这种物质的原子会呈现出肉眼可见的宏观量子现象，可以帮助我们更好地探索量子力学的奇异世界。

超冷原子物理实验柜旁边是流体物理实验柜。它利用微重力环境创造出了近乎理想的各项同性研究条件，可以用来开展空间流体动力学和复杂流体的科学实验。在微重力环境中，流体会形成地面上无法构建的新体系，表现出许多新规律、新机制。

这么多的科学实验柜，要是出现了故障怎么办呢？科学家们可没忘了这个问题，专门在空间站里设置了“太空维修工厂”——在线维修装调操作柜。它具有超过360升的超大操作空间，配置了一款有七个自由度的小机械臂、一款VR眼镜以及一个可移动的维修平台，可以帮助航天员们完成对载荷的装配、维修、清洁等精细操作。

虽然空间站里是严格禁火的，但是这并不妨碍科学家们在太空中研究燃烧现象。他们在燃烧科学实验柜里就完成过在轨燃烧点火实验。燃烧科学实验柜可以实现燃烧的气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等全自动流程，能够对火焰的形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息进行精细化的测量。

最后一个出场的实验柜是航天基础实验柜。目前它正在开展微藻的培养与孵化、液态金属的空间热管理等五个技术实验项目。为什么要在太空里培养微藻呢？这是为了探索失重环境下微藻的产氧速率。这项研究可以帮助我们了解微藻制造氧气的速率和哪些因素有关，进而提高产氧效率。同时，航天员们也要探究微藻食品的原位加工技术，也就是如何在太空站将微藻直接加工成可供航天员食用的食品。试想一下，如果微藻可以提供充足的氧气，并且可以为航天员提供足够的食物，我国的航天员就可以不再需要来自地面的氧气和食物供给啦！甚至可以开启星际远航呢！