太空实验室：赴星程，启新知

距离地球约400公里的中国空间站已然成为太空的“新地标”。“十四五”期间，随着“天和”“问天”“梦天”三舱组装完成，中国空间站正式建成。

“十四五”期间，曾经仰望的星空中有了中国人的“太空家园”。它成为长期有人照料的国家太空实验室。

不久前，来自中国科学院大连化学物理研究所的载荷专家张洪章抵达中国空间站。自己参与的科研项目能够在神舟二十一号任务中搭载上行，这令他感到无比幸运。

科研人员在实验室中观察“小黑鼠”状态。空间应用中心供图

“国之大者在我心！在中国空间站这个国家级实验室里，我们将竭尽全力完成好每一个凝聚着每一位科技工作者智慧与汗水的科研项目，助力中国在科技领域实现更大的跨越与突破。”张洪章说。

科学实验柜“中国科学院造”

2021年4月29日，天和核心舱成功发射，标志着中国空间站建设拉开序幕。此后，问天实验舱、梦天实验舱相继对接，2022年11月3日，中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成。2023年8月18日，国家太空实验室正式启用，建立起独具中国特色的近地空间科学与应用体系。

大规模开展空间科学研究离不开一个个“方寸”大小却功能强大的科学实验柜。这些高约1.7米、宽1.1米、深0.9米的柜体是空间站科学研究的核心载体。

“把实验室搬进太空”是中国科学家的共同梦想。“太空实验室能够为我们提供很好的研究条件，比如长期的微重力、辐射条件，让我们可以研究这种环境下新的生命科学、物理科学现象，研究产生这些现象的机理，掌握未来人类长期在太空生存需要的技术。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟表示。

为实现这一目标，中国科学院牵头研制了生命生态实验柜、流体物理实验柜、无容器材料实验柜、高精度时频实验柜等14个科学实验柜，每一个都相当于一个综合性实验室。

研制过程充满挑战。科研团队需要将整间实验室的设备集成到不足两立方米的空间内，同时确保其轻便、牢固且具备10年以上的科学前瞻性。除了破解共性和个性的技术难题外，团队还要争分夺秒，在有限的时间里交付科学实验柜。

为此，团队进行了数百次仿真和力学试验，通过“材料优选、轻量化设计、仿真分析、力学试验验证”的迭代优化，使实验柜主结构重量不足100公斤，却能承载高达500公斤的科学载荷，承重能力远超国际空间站同类设备。

在张伟看来，科学家就像大脑，酝酿出科学想法，而工程师就像双手，把科学想法变成现实。

作为空间站中最复杂的实验柜，高精度时频实验柜的研制令人记忆犹新。它由13台单机组成，是世界上第一套由主动型氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统。由于技术难度超出预想，项目一度进展缓慢。

为破解这一难题，2019年，中国科学院整合国家授时中心、上海技术物理研究所等十余家单位资源，突破多项关键技术，建成了目前世界上在轨设计指标最高的空间时间频率系统。

“太空特产”结硕果

太空实验室建成后，科研成果随之涌现。截至神舟二十号乘组返回，中国空间站已在轨实施140余个科学与应用项目，上行实验模块、单元及样品等近3.1吨科学物资，下行空间科学实验样品212.5千克，产出一系列原创性科学成果。

2024年12月30日，在即将迎来中国空间站全面建成两周年之际，《中国空间站科学研究与应用进展报告（2024年）》（以下简称《报告》）发布。在《报告》展示的34个科学研究项目中，由中国科学院牵头的有19项。

其中，在空间生命科学领域，中国科学院分子植物科学卓越创新中心科研团队在国际上首次对空间站里水稻“从种子到种子”全生命周期的培养过程进行研究。太空水稻返回地面后已种植至第三代，其垩白率较高，意味着口感更佳、营养更丰富，为未来太空农业提供了宝贵种质资源。

中国科学院水生生物研究所联合上海技术物理研究所科研团队共同研制出一套水生生态系统，将斑马鱼送上空间站，在轨稳定运行43天，创下我国空间水生生态系统运行最长纪录。

在微重力物理领域，中国科学院物理研究所科研团队利用变重力科学实验柜，首次发现“反巴西果效应”——在低重力环境下，大颗粒反而向下沉降。这一发现为未来人类在月球、火星等低重力星球活动提供了理论支持。

中国科学院力学研究所科研团队则通过研究油箱在微重力下的液体行为，为航天器“油箱”设计提供了新理念，相关成果已应用于我国多颗卫星，并有望推动在轨加注技术发展。

此外，科学家还利用无容器材料实验柜制备出性能更优的多元偏晶合金；利用高温科学实验柜获得地面难以生长的高质量晶体；利用生物技术实验柜研究骨细胞分化，为防治骨质疏松、肌萎缩等疾病提供新方案；在轨繁育三代果蝇，通过分析其太空中的特殊行为模式，研究微重力对生命活动的影响。

这些成果不仅推动科学前沿发展，还具有广阔应用前景。

据统计，目前科学家基于地面研究和空间站返回的实验样品等，已经在空间生命科学、空间材料科学、微重力流体物理等方向取得重要成果，在国际期刊发表论文430多篇。

踏上新征程

中国空间站的科学探索从未停歇。2025年10月31日，神舟二十一号载人飞船成功发射。此次任务中，张洪章要开展为期6个月的在轨任务。

据了解，张洪章将在轨开展“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”，探索电池在太空环境下的性能变化，为未来空间能源系统提供技术支撑。

同样引人注目的是，此次任务上行了4只C57BL/6品系的“小黑鼠”，意味着我国首次在中国空间站开展哺乳动物生命科学实验。项目旨在研制中国空间站小型哺乳动物饲养装置，通过实现小鼠进入中国空间站，建立哺乳动物天地研究全流程的实验体系，验证小鼠空间饲养的核心关键技术，探索小鼠各器官系统对空间环境的应激响应，为未来系统开展哺乳动物空间科学研究奠定重要基础。

这4只“小黑鼠”经过严格筛选和适应性训练，在特制的“太空公寓”中生活。科研人员则通过视频采集系统，观察它们在太空环境中的行为表现。目前，小鼠已随飞船返回，科研团队正在开展进一步科学研究，探索小鼠多组织器官在空间环境中的应激响应和适应性变化规律。

正在进行的神舟二十一号任务在轨开展27个科学与应用项目，涵盖空间生命科学、航天医学、微重力燃烧、航天新技术等多个领域，其中包括探索氨基酸手性与重力关系的实验、空间在轨智能算力平台试验等前沿课题。

依托中国空间站，中国科学家正引领我国空间科学一步一个脚印坚定前行，走向深空、走向未来。科研人员表示：“我们正站在巨人的肩膀上，向着未知的科学疆域迈进。”