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谭骁天:天舟小哥送快递没人签收,为什么还要发射

2017-04-22 15:55:01

【文/ 观察者网专栏作者 谭骁天】

4月20日傍晚,随着长征七号遥二火箭的成功发射,天舟一号货运飞船也准确进入了与天宫二号共面的对接轨道。作为我国第一艘专门用于空间站/空间实验室上行运输的货运飞船,大家都亲切地称呼天舟一号为“给天宫送货的快递小哥”。但很遗憾的是,由于天宫二号空间实验室目前正处于无人值守状态,此次“天舟快递”上搭载的货物,除了推进剂以外,都不会有人签收。

天舟一号采用了全封闭构型的货仓

基于中国航天一贯的艰苦朴素精神和发掘任务潜力的能力,天舟货运飞船高达6.5吨的上行运载能力当然不会因为没人收货而被浪费掉。

根据相关报道,天舟一号上共搭载了涉及空间环境探测、力学环境测量、生命科学实验这三个大方面的四十个实验设备。在预计为时三个月的在轨期间,这四十个设备将开展十三项各方面科学实验。尤其值得一提的是,由于天舟一号的货仓采用了全封闭的设计,具备载人级别的环境控制能力,它非常适合被用于开展常压微重力条件下的空间生物学实验。

苏联早期的生物卫星

说起空间生命科学研究,我国只能算是个新秀。

为了探寻空间极端环境,尤其是失重及宇宙射线对高级生命活动的影响,早在20世纪五十年代后期,苏联和美国就相继发射了数枚搭载了大鼠、狗、猴子等哺乳动物的生物卫星。而在载人航天技术相对完善后的七八十年代,美国和苏联又相继在各自的载人飞船和空间站内(如美国阿波罗飞船,天空实验室,苏联礼炮和和平号空间站)进行过多种较为复杂的空间生命科学实验。

90年代初期,我国也曾经利用尖兵系列返回式卫星进行过哺乳动物太空生存实验,但受限于当时的技术水平,这项实验最终以失败告终。

但即便是美苏两大航天强国,受困于自动化生物实验系统、小型化检测设备的匮乏和大量数据传输的技术难度,在这一阶段内的空间生命科学研究也只能以细胞或组织的静态培养为主,而且实验数据的采集高度依赖于载人飞船和返回式卫星的载货下行能力。很不幸的是,飞行器的再入过程又往往伴随着超重、高温和剧烈扰动。这些干扰性因素都降低了实验样本表现的可靠性,也使得这一阶段的空间生命科学实验很难提升到能和地面实验相提并论的水平。

随着国际空间站的逐步建成,这样的尴尬局面很快有了改观。相比之前的礼炮和天空实验室,国际空间站不仅空间充足,而且在设计时就已经考虑到了较为复杂生物实验装置的安装位置。这些特质使国际空间站成为了迄今为止独步天下的空间生物实验平台。其中最典型,也是最出名的,就是下图中的微重力科学手套箱。

宇航员在微重力手套箱中进行实验操作

这样的设计不仅简化了箱内实验载荷的替换程序,也从物理上隔绝了可能存在污染源的试验区和箱外相对洁净的生活区,更让航天员实际参与进这些微重力实验成为可能。

有人参与的空间生物实验相配套的实验辅助设备,在这一阶段也出现了迅猛发展。目前美国航天局及相关实验室已经开发出了失重环境专用的移液枪、加样器、除泡器、PCR(DNA扩增)仪以及可便携的荧光检测设备(如下图所示)。利用这些技术,科研人员完全可以在国际空间站中进行简单的分子生物学实验,这对于检测生物体在空间生存过程中的基因变异尤其重要。

国际空间站使用的生物实验器材

与此同时,地面上的生物传感系统也在进行着革命性的发展。尤其是近15年来,各种可编程的生物微流控系统层出不穷。由于这些微流控芯片中有很大一部分是由液泵或电机驱动,并不完全依赖地表重力,它们的出现也从侧面推进了空间生命科学技术的发展。

国际空间站上搭载的一个不是很典型的微流生物反应器

相对美俄英法等国际空间站项目的参与国而言,中国的空间生物学研究则长期停留在如空间育种这样随机性相对较高且科研价值较低的领域。这一方面是由于我国载人航天项目起步较晚,对人员长期空间驻留相关的生物研究显得并不十分紧迫,另一方面也是由于我国航天界曾长期处于运力有限的状态,并不十分充裕的火箭运力要优先满足国防等高新技术试验任务。

随着我国载人航天项目的发展,航天员空间驻留时间也不断加长,与人在太空长期驻留有关的生命科学实验所受重视的程度也在不断地提高。2016年4月,我国利用一颗改造过的尖兵返回式卫星进行了实践十号空间科学实验任务,令人激动的是,其中就大量涉及了我国长久以来没有涉足过的空间生命科学实验。

上图为实践十号返回式卫星结构,下图为实践十号搭载的生命科学相关载荷

实事求是地说,实践十号上搭载的生物实验设备并没有很令人惊艳。其中大部分的实验仍然是在近地轨道上利用失重环境进行特殊条件下的细胞和组织培养并显微观察细胞形态,绝大部分项目仍以采集随卫星返回后的生物样本为最终目的。经过查阅相关资料,实践十号任务似乎也没有采用国际上较新的自动化实验方法。

但无论如何,受益于小型化显微检测技术和天地通讯技术的发展,本次任务仍然取得了如实时观测失重状态下小鼠的胚胎发育等意义比较重大的科学成果。


实践十号上进行的一部分空间生物学实验

万事开头难,哪怕实践十号迈出的第一步并不惊天动地,但它也标志着我国的空间生物实验技术走入了进步的快车道。本次发射的天舟一号,就可以作为这种进步的一个例证。

由于天舟一号货运飞船既不载人也没有货物下行能力,这就要求上面搭载的实验载荷必须具备在太空自动化运行并且长期读取实验数据的能力。据报道,本次搭载的载荷中也有利用了微流控技术进行在轨细胞培养、观察、分析的高度集成自动化的实验设备。这就意味着相比实践十号而言,本次天舟一号的所携带的生物实验载荷的含金量要上了一个大台阶。

随着我国空间站项目的不断推进,航天员也将由在轨中期驻留走向长期驻留。届时,不仅进行有人参与的更为复杂的科学实验成为了可能,航天员的身体本身也将成为研究的对象。

现如今,针对航天员的医监医保系统,只能进行如心跳、体温、血压、呼吸、血糖这些较为简单的测试。这对于较短期的驻留来讲也许将将够用,但如果有人需要在太空长期生存,谁能保证在这期间一定不得病呢,总不能把航天员的血样也寄回到地面上进行检测吧。也许到那个时候,一个针对太空人的血相快速检测系统就会应运而生。

相信在不远的将来,在天宫空间站建成的那天,我国的空间实验技术也能继续现在快速进步的趋势,再上一个台阶,并拥有一个可以和国际空间站匹敌的空间实验平台。我愿意相信,到了那个时候,我们也能做出不少可以独步天下的空间生命科学实验成果。

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谭骁天

谭骁天

90后,纽约大学毕业生,密歇根大学生物医学工程系在读研究生

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来源:观察者网 | 责任编辑:陈轩甫
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