天舟四号成功对接，太空实验室正式开建为什么需要太空实验室？

　　天舟四号对接成功
　　为中国太空实验室打下基础
　　5月10日凌晨,天舟四号货运飞船在文昌航天发射场成功发射。随后，天舟四号货运飞船入轨后顺利完成状态设置，于5月10日8时54分，采用自主快速交会对接模式，成功对接空间站天和核心舱后向端口，相当于在茫茫太空中完成＂万里穿针＂，实现＂太空之吻＂。
　　天舟四号任务是中国空间站开启建造阶段的揭幕之战，也是全面完成中国空间站建设、实现载人航天工程＂三步走＂战略目标的关键之战，将为稳步推进我国空间站工程任务、打造国家太空实验室奠定坚实基础。
　　为什么需要太空实验室？
　　先听听国外的科学家怎么说
　　失重有利培育类器官
　　在太空中用干细胞培育器官，这听起来像是一个奇怪的构想。但大批科学家正在非常深入和认真地研究这一课题，因为细胞在失重状态下可以更好、更快地发育。该领域的先驱是来自瑞士苏黎世大学的德国人奥利弗·乌尔里希和科拉·蒂尔。乌尔里希是医生，蒂尔则是一位微生物学家，两人正在国际空间站培育大小以毫米计的细胞群，即所谓的类器官。乌尔里希说：＂如果没有骨架，它们根本无法在地球上生长。＂
　　制药公司对类器官非常感兴趣。在人体组织上测试活性成分和药物比在动物身上测试效果要好得多。也可以从这些细胞中培育出用于修复受损器官的组织，甚至是整个器官。太空和生物技术初创企业德国尤里公司的联合创始人、首席商务官马克·库格尔说：＂未来，人们可以让心脏在太空中生长。＂
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　　失重不仅有利于细胞生长，还能提升蛋白质结晶的精确度和优化基因测序程序，这些是药物研究中的关键过程。在太空中也可以制造质量更高的半导体和玻璃纤维。此外，科学家还利用宇宙辐射使水稻、小麦或葡萄藤发生变异，提高其抗病能力。
　　竞相建设新空间设施
　　太空投资成热点
　　科学家正在让生存条件恶劣的太空发挥其优势。失重和辐射有望使科学研究实现一次技术飞跃，就像冷却系统曾推动医学和生物学大发展一样。波兰国家核研究中心的天体物理学家阿格涅什卡·波洛说：＂我们需要更多的空间站。＂然而到目前为止，进入太空既困难又昂贵，国际空间站的实验室一席难求。国际空间站首次使空间合作研究成为可能，迄今已有超过3000项实验在那里进行。但国际空间站可能将于2030年退役。
　　中国、印度和俄罗斯已在各自建设或规划空间站，欧洲航天局也是如此。此外还有美国阿克肖姆航天、山脉航天、纳诺拉克斯等公司的项目。航天领域正朝着日益私营化和投资者支持的供应商日益增多的方向发展，因此火箭发射和卫星的价格不断下降。
　　市场逐渐拥挤起来，这里不仅有初创公司，也有成熟的企业。成立于2009年的纳诺拉克斯公司正与美国洛克希德-马丁公司、旅行者航天公司一起建造星辰实验室，作为国际空间站的后继者。这几家公司从美国国家航空航天局（NASA）获得了1.6亿美元资金，星辰实验室计划在2027年投入运营。
　　更早得到使用的将是无人太空舱。美国瓦尔达航天工业公司是这方面领先的初创公司之一。该公司希望在太空中建造首个计算机芯片生产设施。瓦尔达航天工业公司首席执行官威尔·布吕埃曾是太空探索技术公司的高级雇员。他说，太空中的失重和无尘状态为制造高精度和高质量的计算机芯片提供了理想环境。该公司计划在2023年将首个基于卫星的生产设施送入地球轨道。它将在那里停留3个月，然后携带半导体成品返回地球。
　　优化蛋白质结晶过程
　　另一个重要的太空研究领域是蛋白质结晶。对人体的许多基本功能（例如氧气和营养的供给）而言，蛋白质是不可或缺的，肌肉也由蛋白质组成。此外，正确测定血液中的蛋白质有助于诊断阿尔茨海默病、帕金森病或囊性纤维化等疾病。科学家使用X射线来测定蛋白质的分子结构。但射线只会在晶体结构上发生衍射，因此研究人员必须在蛋白质周围构建晶体。但重力会导致晶格变形。制药公司和科学家一直尝试用粒子加速器来消除重力影响。在太空的失重环境下，晶体生长得更好、更纯净，测得的结构更精确。这一点除在疾病诊断方面具备优势外，还可以改善和加速药物研究。
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　　所以
　　中国也需要自己的太空实验室
　　首先是空间环境特点
　　＂天宫＂所处空间环境最显著的特征在于，所有实验都处在微重力环境之中。在微重力的条件下，一方面，地面重力效应导致的流体中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失，地面重力效应所掩盖的一些次级效应凸显。流体形态和理化过程等发生显著变化，将影响流动和燃烧机制，相关材料加工及制备过程。另一方面，由于一些基础物理的实验条件不再受到重力影响，能够以更高的指标和精度开展实验，可以对重要的基础物理理论进行验证。同时，各种生物包括人类的生存和进化一直是在重力环境下实现的，微重力环境对生物体及其各层次的影响也会十分显著。
　　第二：空间站的轨道脱离了浓密的地球大气层，处于电离层F2层，适于开展巡天类空间天文观测和特定空间物理研究。同时，对地球观测而言，空间站轨道覆盖南北纬42度以内、地球人口居住90％的区域，与一般地球遥感卫星采用的太阳同步轨道相比，空间站轨道的降交点地方时在不断变化，也可实现对同一地区可变光照条件下的长期观测。
　　第三：空间站所在轨道的辐射环境不同于地面，宇宙射线复杂的成份和能谱形式是地面无法模拟的。因此空间站具备开展辐射生物学等研究的有利条件，同时也是开展高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件。　＂天＂空间环境的第四大特征为极端条件，包括极热和极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。暴露于这些极端条件下的空间应用材料、电子器件，生物体及组织的性能将受到外太空环境的显著影响。这些特殊环境（及其复合环境）在地面模拟起来成本较高，因此成为开展相应的针对性研究的独特资源。
　　空间站已用的实验装置有哪些？
　　空间站上的每个实验柜都是一个专业学科或研究领域的实验研究平台，满足不同学科、不同领域空间科学实（试）验开展的需求。目前规划的设施包括至少12个实验柜和4个共用支持实验柜，将在其中开展的技术试验和科学实验似乎眼花缭乱，其实总结起来可以为三类：研究宇宙的，研究人在太空的，以及研究人在太空飞得更远相关技术的。
　　第一类多为立足科学前沿的创新性实验和应用研究，要为人类进一步认识宇宙、提高地球生活水平做出贡献。
　　第二类为近地轨道长期载人航天飞行的主要医学问题研究，包括长期失重和空间辐射对航天员健康影响与防护、先进在轨监测与医学处置技术等，以解决人在太空中长期生存的基本问题。
　　第三类为未来载人航天器新技术验证，比如充气式居住舱、空间机器人、太空增材制造、原位资源利用等等。
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　　这些研究的共同指向在于，通过人在近地轨道上的飞行与探索实践为载人航天的持续发展和未来深空载人飞行打下基础。目前在＂天和＂核心舱上已经投入使用的，有空间材料科学方向的＂无容器科学实验柜＂和共用支持的＂高微重力科学实验柜＂。
　　而＂无容器＂状态，是材料科学家梦寐以求的一种实验条件。熔融的材料成为一个液滴，通过静电漂浮在空中，＂液滴＂不会因为和容器壁接触而受到污染，＂纯净＂的材料则能够在较低温度下仍保持液体状态。＂无容器＂环境下，有望实现对＂深过冷凝固过程与机理＂研究、新型功能材料制备研究等。无容器实验柜集中布局了科学实验腔以及半导体激光器、CO2激光器、脉冲激光器、单波长测温仪、全景相机、高速相机等多种观察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量，让样品＂浮得住，控得稳＂。同时，实验柜采用批量样品盒，一个样品盒能容纳多个样品进行试验。
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　　而所谓＂高微重力＂就是更高水平的微重力，高微重力科学实验柜能提供的微重力环境比空间站本体还高2~3个数量级，即10-5m/s2~10-4m/s2。高微重力科学实验柜通过电磁悬浮和喷气悬浮隔离技术，抑制空间站舱体和实验柜体等多种类型振动的干扰，在0.01Hz到300Hz的振动频率内提供较高水平的隔振能力，满足特殊科学实验对高微重力水平的要求。高微重力实验柜后续既可以用于相对论物理实验和引力物理实验——包括2022年将开展的国际上首次原子层面的相对论弱等效原理检验，也可以用于医学样本的分析。
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　　关于太空实验的未来
　　作为中国空间站工程的重要目标之一，＂天宫＂将发展具有国际先进水平的空间科学与应用能力，开展多领域空间科学实验和技术试验、空间应用以及科普教育，获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果，并开展国际（区域）合作，为人类和平开发和利用空间资源做出积极贡献。
　　壮丽的空间科学画卷刚刚展开。随着＂问天＂实验舱和＂梦天＂实验舱2022年内发射入轨，建成后的中国空间站必将在航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、航天元器件与部件、航天新技术、空间应用新技术等多个领域产生一批有着巨大影响力的科研成果，为人类命运共同体和更加美好的未来添砖加瓦。
　　天舟四号为太空实验室带去了什么？
　　此次天舟四号带去的，包括货包货物和直接安装货物，上行物资总重约6吨；根据航天科技集团五院货运飞船系统总设计师白明生介绍，天舟四号装载了共计200余件（套）货物，其中包括货包货物和直接安装货物，将为神舟十四号航天员6个月在轨驻留、空间站组装建造、开展材料科学实验等空间应用领域提供物资保障。＂其中一件货物是力矩陀螺，重达170公斤，是目前已运输的物资里最重的。＂白明生说，除此之外，天舟四号还搭载了3个实验项目，均来自征集活动。
　　写在最后：
　　再多的实验，安全都是第一位
　　根据统计，在众多实验室安全问题中，化学安全问题占比34.5%、安全设施建设问题占比12%、规章制度及安全检查问题占比11.1%、环境基础建设问题占比10.9%……在教育部科技司于2015—2017年连续3年对75所教育部直属院校的实验室安全督查中，这4大问题的占比均超过10%。而在检查的62所综合或理工类高校中，100%的学校都存在化学品安全管理问题，这包括化学试剂存放、气体管理不规范等问题。 有研究者统计，近年来有50%以上的高校实验室事故因危化品储存和使用不当引起。
　　实验室安全， 一定要重视
　　比如把那些危险的实验化学品放在什么地方？进行实验时将它们置于怎样的环境当中，都是需要慎重考虑的问题：而一般实验室就会采用实验室真空手套箱作为选择： 手套箱作为一个全密闭的腔体，把腔体内外的环境完全隔绝开，腔体的一面安装有视窗和手套，操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作：
　　1、当对有毒有害物料进行操作时，手套箱可以保护操作人员和环境；
　　2、当大气环境的 物质如细菌和粉尘会污染物料时，手套箱可以用于隔离箱体外部的物质，保护箱体内的材料免遭污染；
　　3、当空气会与物料作用影响物料性能时，手套箱里会充满惰性气体，箱体用于隔离箱体外部的空气，保护箱体内的材料免遭空气的气体如水、氧气、有时甚至是氮气的污染。
　　4、可以直接隔绝危险品与空气的接触，减少可能带来的潜在危险
　　而在手套箱内部，主箱体进行抽真空的惰性气体保护箱，箱体真空度满足 -1bar，可快速抽空箱体内的空气，该系统由主箱体、过渡舱、控制单元、净化单元等组成，配置有净化系统真空手套箱可满足H2O和O2 0.1ppm，适用于大部分行业应用操作。
　　太空实验室的建设
　　也让我们对未来的科技成果充满期待~
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