今天发射升空的问天实验舱装载了8个实验机柜,除了生命生态、生物技术两个科学实验柜外,还有科学手套箱和低温存储装置、变重力科学实验柜等。此外,科学家还为中国空间站设计了通用科学实验柜,为今后需要上天开展的实验预留空间。

高1.8米、宽1.1米,深0.9米,这些实验柜基本构型一样、对外接口统一,内里却各怀神通。在科学家的精心设计与远程控制,以及航天员的精准操作下,未来将不断有空间生命科学研究成果涌现,为人类探索宇宙与生命奥秘立下不朽功勋。

地面实验室中,超净工作台是最常见的设备之一。为科学实验提供密闭洁净的操作空间,无论在地球上还是太空中,都是“刚需”。为满足空间科学实验的这一需求,中国科学院沈阳自动化研究所研发出了我国空间站最开放、最大包容度、支持多学科深度融合实验的公用支撑平台——科学手套箱。

轻巧、宽敞、结实,科学手套箱是目前拥有最强大环境控制能力、最高操作精度,以及自洁净能力的科学实验载荷。它不仅光照可编程控制、风速可调节,其温度控制更可精确到0.5℃,湿度精度达4%,显微操作精度不超过5微米。

“我们不仅为科学手套箱配置了灵巧机械臂系统,还配备了能够进行显微细胞操作的微操作系统。”沈阳自动化所副研究员刘晓源介绍,这套设备可协助航天员在轨实现精细操作或重复操作的科学实验,如基因注射、细胞核提取、染色体切割等。操作完成后,机械臂还会自动把手套箱打扫干净。

考虑到实验舱将在轨运行十年,为了适应将来在轨科学实验不断升级的需求,科学手套箱还配置了多类可扩展的标准接口,为日后更新提供强大支撑。

-80℃、-20℃、4℃的冰箱,是生命科学实验室不可或缺的存储装置。在空间有限的空间站,怎能放下这么多冰箱呢?为解决这一难题,中国电子科技集团公司第十六研究所等研发了我国首台三温区、达到-80℃的斯特林制冷航天冰箱。

“一台冰箱同时提供三个温度的制冷,与国际空间站的低温存储设备一致,但我们的冰箱更加紧凑、效率更高。”中国电科16所该项目负责人王波介绍,经过四年研制,这台冰箱在国际上创新采用了斯特林制冷机与热电制冷片集成制冷,每瓦制冷量的功耗不到国际同类设备的一半。

此外,三个不同温度的独立存储区还具备断电保温功能,以及航天员参与实验管理、样品更换和回收功能,可为我国空间站提供长期持久的低温生物样品保存。

由于低温存储装置与科学手套箱是叠放在一起的,为了使两台设备运行时相互不干扰,科研人员进行了大量测试与优化,解决了震动、噪声、释气等一系列问题,使它们能够“珠联璧合”,确保我国空间生命科学实验的顺利开展。

问天舱内还有一台变重力科学实验柜,它可实现在轨微重力环境基础上,从0.01G到2G范围内的可控重力环境模拟,这相当于可以分别模拟月球、地球、火星等天体的重力环境。

微重力是空间站最大的自然环境特点之一,包括空间生命科学与生物技术、微重力流体和燃烧科学在内的各种实验,都希望能够在这里获得理想的实验环境。然而,科学实验往往需要进行对照比较,因此需要在同一空间环境中模拟不同重力,以对其重力效应和响应机制进行研究。

“这台变重力科学实验柜配备了目前空间最大直径的离心机,转子直径达到900毫米。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员周妍林介绍,变重力科学实验柜主要由两个离心机、监控系统、照明系统和定子控制器,以及实验柜控制器和热控抽屉等组成。其中,两个离心机是科学实验核心设备,也是变重力实验开展的场所,其转盘上安装科学实验载荷模块进行变重力实验。

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