讲座题目：透视新科技——“梦天”的太空之旅

主 持 人：胜 春

做客嘉宾：张 涛，中国科学院上海技术物理研究所研究员。

郑会龙，中国科学院工程热物理研究所研究员。

讲座时间：2026年8月31日—9月6日

（备注：讲座视频可循环播放）

透视新科技——“梦天”的太空之旅

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。2022年是中国空间站建设全面完成的一年，这其中重要的组成部分就是太空实验室，在太空做实验，到底会做什么样的实验，这些实验又会给我们带来哪些惊喜呢？我们通过短片来进入今天的节目。3、2、1点火，2022年10月31日，在海南文昌航天发射场，“梦天”实验舱顺利发射升空。在历经约8分钟的飞行后，梦天实验舱与运载火箭顺利分离，成功进入预定轨道，随后梦天实验舱与天和核心舱完成对接，中国空间站由两舱变身三舱，形成了“T”字的基本构型。至此，中国空间站在轨建造完成，也标志着中国国家太空实验室正式建成。与几个月前升空的问天实验舱不同，梦天舱没有睡眠区和卫生区，因此多出来的空间部署了更多的实验柜，可以在轨开展涉及物理、化学等多种学科的太空实验，我们为什么要在太空做实验呢？梦天实验舱怎样克服太空的极限环境保证实验顺利完成？它的实验结果又与我们的生活有着怎样的关系？首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院上海技术物理研究所的研究员张涛，另外一位是中国科学院工程热物理研究所研究员郑会龙。

实验室大家并不陌生，但我们为什么要在太空建实验室？咱们也到过月球，那么将来还有可能去（降）落火星，然后乃至更深空，咱们太空实验室就去摸索人类在太空环境下的这种生存环境，该怎么去生存，该怎么去制水乃至于制粮食。那么在深空探索这里面的所有这些物理层面上、化学层面上、生物层面上这些要素都只能在这个实验室里边初步得到研究。不能在地球上建立一个模拟的太空实验室吗？有些条件你是没有办法模拟的，比如说微重力，你在地面做的话，实际上由于受到地球重力的影响，你能够形成微重力的这个时间是很短的，在太空当中它可以长时间地保持在微重力状态，那么实际上你想在太空当中失重条件下，比如说生命的一个现象，它可能是几个月、几年，甚至更长的时间，那么你在地面是没有这样一个环境的话，其实很难模拟到完全一样的环境。一说到实验室，其实很多对科学感兴趣的人就比较兴奋，这个太空实验室又多了一些新奇的成分在里头。

它这个环境很特殊，太空是没有重力的环境，地球上咱们跳起来会落下去，但到太空大家可以看到我们各位宇航员（航天员）是飘在空中的。咱们入轨之前都可以看到那个宇航员英姿飒爽，入了轨以后感觉脸都有点浮肿。这种现象就是失重以后，它才会造成的这个人的生理反应，咱们在地球里面，咱们是周围都是空气，在地球里面我们不需要外边穿东西我们都能活着，到了太空里面我们必须有空间站，人类才能活着，否则活不了，外边全是真空没有气体。还有一个就是辐射，在地面我们有这个磁场的保护，辐射粒子被磁场控制在南极、北极，但是到了太空里面，宇宙射线。日常咱们可以在解，不会被太空粒子伤害，但是到了太空里面，宇宙射线的浓度是比较高的，我们日常咱们可以晒日光浴，不会被太空的高能粒子伤害，但是到了太空里面到处都是高能粒子，我们还得先防住，不能让这些太空粒子伤害我们。另外它采用一系列的实验的方法手段可能也不一样，因为你在地面可能会有足够的资源，足够的空间，还有熟练的人员，但是在太空里这些条件都是约束，你没有那么多的重量，你没有那么多的资源，同时你还要解决很专业的人员，来进行实验操作的这个过程，这样一来，这个太空实验室它的特点就非常特殊。一个是这个环境非常地不一样，同时在这个实验室里开展研究的方法也是不一样的。

进入太空是人类由来已久的梦想，然而直到60多年前，人类才第一次真正踏上太空之路。随着航天科技的快速发展，我国的太空实验也在不断升级，从最开始的种子太空游，到后来让种子可以在太空发芽生长。如今，太空实验的重点已经扩展到植物在太空里开花结果，为未来人类在太空中实现种粮、种菜提供科学依据。区别于地面上的植物种植，太空实验柜里的植物生长不依赖于阳光，而是通过地面的科研人员调整人工光来遥控植物的生长环境，实验难度的升级要求实验设备和技术的同步升级。这个实验柜大概是什么样呢？空间站实验舱里的柜子，从外形尺寸规格上看都是差不多的，整个柜子的大概尺寸，应该是1米8，高度是1米8，深度大概1米，宽度大概是0.8米，是这样一个尺寸，这样主要是为了便于在这个有限的空间内更合理地，有效地利用这些空间资源。那么实验柜内部的科学实验系统是差异非常大的，就是完全是根据不同的科学实验类型，来进行设计和规划的。

比如说我们研发的作为生物实验的，我们就把它做了两种类型的区别，一种主要是面对植物类这样的实验，我们做的一个实验系统，另外一类更多的是做细胞这一类的组织，这种微观的这样一些实验。这个材质大概是什么样的？材质呢，其实类型也比较多，从整个的主体的结构来说，像铝合金、碳纤维，这些可能会是比较多的为主的，但是其实这里边不同的实验，还会用到其他的一些材料，包括还有用到铜，还有甚至还用了钛，还有可能还要用到很多非金属的材料。这些不同的材料，我们的考虑是什么？从生物来说的话，就是要考虑到这个材料跟生物本身是要有良好的相容性。比如有些材料它就不适合于作为生物的这种实验的装置，它有可能会对生物造成一些不良的影响。大概的重量，我们有一个控制范围吗？重量：每一个实验柜的重量，应该是不超过500公斤，这跟火箭的运力是有关的。那么如果每一个载荷的重量，都没有一个限制的话，这个会影响到整个舱的重量，所以对每个舱里边的这些实验柜都是规划了，它不能超过多少重量，这样一来才能使火箭的运力，能够最好地发挥出来。

在我们从地球上把它送到太空的时候，这个过程当中这里面可能有种子、细胞、各种燃料等等，这个路上怎么保证它的安全？生物样品的这个上行和下行，其实是很复杂的。举一个例子，我们这个细胞的上行的这个过程是这样的。一方面我们这个细胞，它生存的环境是37度，正负0.5度，这个温度值你要是不在这个范围内，这个细胞可能就会出现凋亡或者是退化这样的问题，同时在这个过程当中，还要不定时地，要给它提供一些营养液的更换。这是全自动还是遥控的，这些东西都是全自动的，所以我们相当于要把细胞，放在这样一个特殊的装置当中，这个装置是保持它的生命活性，然后我们把这个装置还要让它经历火箭发射的时候，过载力学冲击这一系列的工作，然后才能保证它是非常健康地到达空间站。这听起来好金贵？是很金贵。燃料也是很危险的，燃料因为它涉及发射过程中，它如果产生爆炸，大家想的是这肯定是要保证安全的，我们都有很多的安全策略，这个燃料上行的时候，我们会做力学实验，会把整个的燃料罐放在软包里面上行，让它的力学条件稍微好一些，就是超过咱们发射时候那么大的过载，而且震动都是含在内的，所以这是可以肯定我们这个系统发射过程中，所有的这种安全性的保障。

在太空里生物无法生存，甚至燃烧现象也很难发生，那我们实验该怎么进行呢？从这个生物实验的这个要求来说，首先它是要保证它健康地能够活着，那么在地球上它有它自己的生存的方式，节律这些特点，那么我们在太空里其实这些条件都是不具备的，一定是要给它一个，应该是合适的叫适宜的生存环境。比如说植物培养，它一般要求的温度、湿度、照度、气体的供给，有害气体的去除，包括湿度的控制，就这些大环境的保障，我们都在这个实验系统内进行了一个比较宽范围的设计。因为有重力，这水往下，就像浇花一样这很容易的，它肯定往下流，但是在太空里它不是这样的，它是漂浮的。如果你不能很好地控制好这个注水的方法，或者是技巧，甚至就是说控制得不当的话，那这个液体会跑出来，它就根本不会跑到土壤里去浸润种子。我倒是很好奇他怎么完成的，注射？对，是注射，他是把这个液体要注射到土壤里，而且速度不能非常快。因为在太空条件下，气泡里面会有水泡，水泡里边会有气泡，它是这样一个东西。而且你稍有一个力它就会飘走，控制好这个速度，然后还要有一定的这个节奏，这样才能保证这个液体，很好地注入进去之后，还要能让那个种子得到比较好的浸润，你能看到液体已经浸润到种子了。

拟南芥和水稻的生长实验，是2022年7月29日在问天实验舱正式开展的，为了让他们能够在太空环境里生活，科学家们在实验柜里设计了一个小小的地球生态系统，在这里拟南芥和水稻可以享受到如同在地球一般的光照、温度、湿度和日夜交替等等。如今几个月过去了，它们在太空中发芽、抽叶茁壮成长，并且都已经完成结籽，实现了第一次取样采摘。与地球上生长的植物不同，在太空实验室里生长的拟南芥和水稻，还需要接受太空微重力和高辐射的影响。它们结出的种子，会产生哪些基因突变？这还是一个尚待破解的谜。在中国国家太空实验室里，这样的实验还有很多。从燃烧的角度，您再给我们介绍。太空中没有气体，咱们说燃烧的主要成分，你得有氧气，得有氧化剂，我们就需要带氧气上去，同时带燃料上去，那么再提供给它一个做实验的空间，但是这样就能做燃烧实验了吗？依然不行，实验柜的尺寸大小只有1米8×0.8×1米的大小，那么在这么有限的空间内去做燃烧实验，那是非常难的。因为涉及科学家们有的要做气体，有的要做固体，有的要做液体，不同的这种属性的燃烧它还不一样，点火的方式也不一样，最让我们难受的事情就是空间站给我们提供的资源是非常有限的。那么就必须逼着我们去解决相应的问题，又要满足科学家的需求，又要把仪器改造成在这么小的空间内能让科学家实现观测目的的这种过程。

好多条件听起来是矛盾的，我们既要跟地球不同的环境，同时又要维持地球的环境。我觉得刚开始做这个事的时候，是因为想去了解这个特殊的环境。比如说从生物学来说，就是大家很关心，就是这个生物在这种特殊的环境下，它会发生什么变化，它有些什么样的一些没有见过的现象。比如说这个鱼，它在地面它游泳的时候，你就能看到它肯定是有一个固定的体位的姿势，它肚皮是朝下的，但是在太空条件下它鱼游泳的时候，它可能就不是这个姿势了，它有可能肚皮会朝上。那么大家可能也想到，如果人类到未来到太空里去，这之间也会有相应的变化，那么我们是不是可以先去从生物这个变化开始研究现象？那么随着这个研究的不断深入，对现象认识的不断深入，会逐渐想到我是不是可以去用这个特殊的环境。就从认识它转向利用它，那么从辐射这个条件来说，因为舱内不论是舱壁也好，包括整个的装置的考虑也好，整个舱内的辐射的安全性是没有问题的。但是生物实验在舱外，还有辐射暴露实验装置，就是专门把这个装置放在舱外，让它在这个辐射环境下去看看生物在这种强辐射下，会发生什么变化？这是专门用作研究，强辐射对生物的影响，他是采取了这样一个方法。

2022年7月25日，中国的问天实验舱发射成功。它配置了生命生态、生物技术等4个实验柜，能够支持开展植物、动物、微生物等多种类生物，以及分子、细胞、器官等多层次生物的实验研究。如今，梦天舱升空与问天舱组合成国家太空实验室，未来在这个太空实验室里，有关材料、燃烧、基础物理以及航天技术等众多学科的科学试验将陆续展开。这次我们国家在太空实验室更偏重于哪些项目？梦天舱里面大概有8个柜子，有7个科学实验系统比较重视的这些方向。包括燃烧我们做了也包括超冷、超冷柜、时频柜，还有一些流体柜、两相柜等等，那么这些实验呢，有的国外做过，有的国外并没有做过，所以咱们国家也是瞄准科技前沿，紧跟国外的一些技术发展。例如PIV实验就是国际上第一次去观测速度场，就相当于我知道在这个过程中，空间站微重力环境下这个火苗，这个速度以及这个它是怎么衍生的。哪个位置是往哪边跑，咱们就可以清晰地看到这个火苗发展的方向，这个场观测国际空间站没有观测过，咱们是率先到微重力环境下去展开这个观测的，如果这些实验成功了，有什么影响跟改变？

比方说燃烧里面的一些材料，就可以指导咱们地球，还有包括咱们深空探索一些燃料的选择，包括咱们搞低碳的这种燃烧过程中的污染，可以得到一些指导作用。大多数PM₂.₅的形成都是因为燃烧，那么我们通过这个研究过程就可以揭示这个中间产生的过程，那么通过某些技术手段就可以抑制PM₂.₅的产生。生物学实验的角度来说，咱们国家其实安排了比较多的类型的实验，已经准备开始或者说已经开始的实验来说，涉及的这些生物的类型。大概有微生物、有细胞、有植物、有种子，还有一些类似于线虫，包括还有斑马鱼这样的小型的一些动物什么的，是想去研究这些生物的一些在特殊的，或者在空间这个环境下，它发生的一些变化，选择的一些样品，它可能是有一定的未来的有应用的一个前景。比如说水稻，就是实际上是希望能够对未来的太空移植是起作用的。另外一个也是希望对在地球上生活的人，这个生命健康，各方面有帮助的。可能还有，当然也可能是对未来的这个，比如说生物技术的发展，比如说药物什么的，这方面都是有布局。

1992年，中国制定了建立中国空间站的重要目标。2022年，中国空间站迎来了建设的完成年。30年的时间里，中国空间站从无到有，如今已经携带着当代最前沿的科技遨游于太空之中。梦天实验舱是国家太空实验室的主体部分，它配置了超冷原子物理、高精度视频、高温材料科学、流体物理、燃烧科学等8个实验柜，除此之外舱内还有很多实验柜等待开启。早在2022年4月，中国就宣布空间站向193个联合国会员国开放。消息一经发出，很多国家纷纷递交申请书，希望能够在这些实验柜里得到一个位置，现在来自17个国家23个实体的9个项目，已经成为中国空间站科学实验首批入选项目，未来还将有外国航天员进驻中国国家太空实验室开展科学研究。

我们实验室的寿命是多久？我们实验室目前的寿命，空间站是按照10到15年。那它寿命到了之后，我们怎么办呢？怎么回收呢？正常情况下，因为在空间站是低轨的，差不多在四五百公里这个范围之内，那么我们每年都会维系轨道，把它往上推。到了15年以后，包括舱段也会有一些部位都老化，会出现漏气，它会到它的寿命终点，到这个时候呢，都是在受控的情况下落回大气层的，除非是将来咱们空间站建设说要延寿，再让它长一段时间，可能会更长一点。那么如果是没有意外的话，坠入大气层是第一个选项，在受控的情况下坠入大气层，我们怎么理解？就相当于我把它往回推，往大气层推，推的过程中精确计算它的落点在一些无人的海洋区域。那么这就叫受控回收，那么这个过程中呢，主要就是进入大气层烧毁，它肯定有一部分要落到海上，那么这时候最好不要伤到有人口密集区这样的。当然了还有一种可能性，因为我们将来空间站建设肯定不止15年以后，还会发生在轨的一些其他的建设行为，有可能会利用其中的某些舱段再做其他的事情，这也是有可能的。再利用？对。再利用也是有可能的，当然这个想象力留给未来的科学家共同论证。

我们科研人员把我们的实验品带上太空的时候，一定是有预期的。我们是有的，比方说我们研制的一些材料，我们还真想知道它到了太空以后，隔一段时间以后，它是否保持完整性。例如芯片，芯片咱们到太空以后，它会经常损坏，因为有很高能的粒子去击打它内部，这样就会损伤内部结构，那么这部分我们就希望它放到舱外，隔一段时间看它是否被损伤了，这种高性能的器件如果不被损伤，那就意味着我们将来这些器件可以在太空里面长久得到使用。从生物学实验的角度来说，我们有希望能够支持一些，比如说在生物医药方面的，研究的一些结果，包括还有就是说这种新的作物的培养这方面，我们都是希望能够通过这些实验，给他们这些工作奠定一些基础。你看现在它水稻的这个，在国际上也是没有做过的，那么这是第一次咱们国内，因为它是咱们国家的，主要的农作物。那么这个水稻的一个研究的结果，可能对我们国家水稻的未来的，这种作物的方向肯定我们想还是会有很大的帮助。另外，在我们的生物技术实验系统里边开展的一些研究，比如说我们对那个类似于这种肌肉干细胞的这种培养的实验当中，他们可能会用到一些小分子的生物药物，就是防止肌肉干细胞凋亡，这样的一些验证。

那这种研究的成果，对未来类似于什么肌肉萎缩这类，或者包括骨细胞里边的一些钙流失这种，可能都会提供一些这种新的药物的方法。改善人类的健康提出新的方案，提出新的一些解决的途径。燃烧，实际上设计的目的跟人类的生活息息相关，在我实验系统里边先模拟出着火的过程，它怎么着的，再模拟出怎么去灭的这个过程，研究这个过程就很重要。因为不同材料，它燃烧的过程是不一样的，就是我们把燃烧问题的本质性问题解决以后，解决以后我们就知道哪些燃料和怎么去燃烧效率更高。还有一个燃烧过程是一下子就变成二氧化碳，变成水吗？不是的，中间它会有很多奇特的一些中间的合成过程，发光的过程。这些过程是耦合在一起的，它是有一个时间轴的，因为在地面被对流所打扰，就是咱们有重力，一打扰中间合成的物质，咱们是观测不到的。那么这个在宇宙空间它是扩散，它没有重力干扰，所有的这个过程它在空间尺度和时间尺度，正好提供给人类一个很好的观测空间，然后咱们就可以观测到先生成什么，后生成什么，然后在哪个阶段产生什么物质，会产生什么光线。而这些时候，最重要的是一些物质地球没有的我们发现了新的材料，这些材料地面不可能实现，只有在空间站可以实现，这些材料包括一些催化剂，包括一些将来一些活性材料，都可以给人类做更大的贡献。

在梦天实验舱发射之前，中国在太空中进行过很多次实验。1987年，我国首次将水稻、辣椒等农作物送上太空，开启了太空育种的探索之旅。30多年来，我国先后30多次把植物种子、菌种、试管苗等送上太空，这些种子、幼苗在经历过太空严苛环境的“训练”之后，回到地面再经过培育和优选，产生了近千个植物新品种。如今，梦天实验舱带着更多的科学实验来到了太空，相信在不久的将来，会带给我们更多意想不到的惊喜。中国国家太空实验室的建造完成，将会造福于全人类。非常值得期待，我能感觉两位个人的那种感慨，我听说郑先生还特别为这个太空实验室准备了一首小诗。我试着背一下，送你一点花火，拥你闪烁苍穹，托举至蓝天之上，擎光于漂浮之中，燃烧伴着星光漫漫，助力航天科技前行、前行、前行。应该为您鼓掌，感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果你想了解我们更多节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。