10月31日，中国空间站空间辐射生物学暴露实验装置（以下简称“空间辐射生物学装置”）首批实验样品随神舟十六号载人飞船返回地面。近两周，科学实验方完成了生物样品的检查，结果表明返回的样品状态完好，标志着空间辐射生物学装置顺利完成了首批样品的暴露实验。

为什么有些实验需要暴露在太空环境中？这些实验有何特殊之处？有哪些应用价值？

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舱外暴露实验是什么？

暴露实验是将实验材料暴露于某种特殊环境中，观察实验材料会发生怎样的特殊变化。而舱外暴露实验指的是将实验材料暴露于航天器舱外太空环境中，利用复杂多样的太空影响因素，观测实验材料的微妙变化，航天员和地面团队在此过程中充分收集实验数据，分析样本变化机理，解析背后规律。

太空环境中，空间站等航天器拥有非常理想的微重力科学实验环境，能够完成许多地面上难以完成的实验。不过，对于某些实验目标来说，微重力环境是远远不够的，需要更接近真空的条件，满足某些实验的辐射需求，为此科研人员设计了舱外暴露平台，以便开展需求更“极端”的特殊太空实验。

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舱外暴露实验的特点是什么？

特殊的实验环境

空间站舱内为航天员提供了宜居的环境，但舱外却险象环生——更高的真空度、更强的宇宙辐射、更危险的宇宙碎片、更极端的温度变化。但是，这些极端条件却是地表不可多得的实验条件，许多科学实验需要到舱外才得以进行。空间站所处的近地轨道上存在着各种各样的复杂物质，从直径最小仅有数微米的微流星体，到大气层边缘产生的原子氧，再到难以估量的有害辐射等，都为实验材料特性变化提供了前提条件。

可相对独立运作

由于太空环境的复杂恶劣，航天员必须穿戴能够保障生命安全的舱外航天服执行出舱任务，受限于任务间隔和舱外活动时长，实验设备和材料需具备相对独立运作的条件，不依靠航天员经常出舱照看。

确保更高可靠性

由于航天员无法经常出舱照护，机械臂操作也难免存在限制，因此舱外暴露平台和实验装置在设计时要预先考虑各种意外因素，以期在更长时间内开展更多太空实验，提升综合效率。

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国外实践收获颇丰

在国外航天界，舱外暴露实验已经持续了数十年，收获了不少颇有意义的经验成果。

1970年，美国宇航局兰利研究中心开始着手设计一款特殊的科学实验卫星。在经过14年论证和研制后，该卫星被直观地命名为“长时间暴露设施”，足有校车大小，1984年4月6日由挑战者号航天飞机携带升空，成为截至目前唯一的专门用于舱外暴露实验的卫星。

按计划，这颗卫星应该在轨运行一年半左右之后被带回地面，但由于1986年初挑战者号航天飞机遭遇不幸，其返回时间一再推迟，直到1990年初被哥伦比亚号航天飞机从轨道上带回。在延长服役期间，该卫星验证了材料和设计的可靠性，利用多个国家的实验材料（从番茄种子到航天器涂层），累计完成了57项实验，实验成果也是五花八门。

卫星的载荷能力毕竟有限，空间站才是专业的太空实验室。20世纪90年代，在俄罗斯和平号空间站上，美国航天专家专门开发了一个舱外暴露平台，名为“和平号环境影响载荷”，并在1996年3月27日由亚特兰蒂斯号航天飞机携带升空，在和平号空间站外部暴露工作一年左右。

上述两个平台上产生了不少实验成果，为国际空间站的设计完善作出了巨大贡献。目前，国际空间站上有4个专业舱外暴露平台，分别位于欧空局哥伦布号实验舱、日本希望号实验舱、俄罗斯星辰号核心舱和框架结构上。

不过，在这4个平台上进行的暴露太空实验由各国研究机构分别开展，这样固然提高了灵活性和多样性，却也留下了资源协调利用方面的遗憾。

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舱外暴露实验能做什么？

考虑到舱外暴露实验的特点，主要包括材料实验和生物学实验两大类。

材料实验

微流星体、原子氧和各种宇宙射线对金属、塑料等材料有着异常强劲的腐蚀变质作用，会导致材料发生复杂的物理与化学变化，进而丧失固有特性。为此，科研人员通过将一批材料“放置在舱外暴露平台上——充分经受太空特殊环境考验——取回检测”的方式，研究材料的最终状态，进而判断材料的耐腐蚀性能，定向择优发展，合成耐腐蚀性能更强的新材料。

中国空间站材料舱外暴露实验分为舱外静态实验、动态摩擦学实验和原位观测实验。在舱外静态实验中，自今年3月起，航天员配合地面先后在轨完成了组装、自检、机械臂转运到位等材料舱外暴露实验的准备工作，百余种静态材料样品在轨暴露实验正式开始。在动态摩擦学实验中，科研人员通过对比测试，进一步观察固体润滑、液体凝胶等材料样品对轴承的影响。在原位观测实验中，科研人员对暴露在太空环境中的各种材料就地观测，并对一些材料样品进行了多次在轨拍照和数据分析。

此次随神舟十六号返回的材料科学实验样品将进行空间样品、地面样品组织及成分分布差异等测试分析，揭示微重力对材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备等影响机理，促进材料的加工工艺改进与优化，为核电密封、高压开关触头、磁制冷及高性能电子封装等领域材料以及下一代航天发动机、飞机起落架等关键材料制造提供理论和技术支撑。

生物学实验

在舱外暴露平台上也能够开展各种重要的生物学实验，探索太空对生命机体的影响。例如将蓝藻样本放置于暴露平台上一段时间后，可将其基因序列与空间站内、地球上的对照组进行对比分析，观察其“基因表达”和生理形态是否发生了根本性变化。

我国空间辐射生物学暴露实验装置（以下简称“空间辐射生物学装置”）作为一个系统性工程，包含生物培养、辐射测量、在线观测等多个子系统，可用于开展空间粒子辐射、微重力等环境要素对不同物种产生的生物学效应机制的研究，装置内设计了13个装载生物材料样品的实验单元，可适用于植物种子、微生物孢子、休眠的小型动物等生物样品的长期暴露实验。在舱外真空、高低温变化、太阳辐射和微流星的恶劣环境下，装置为各类样品提供了所需的温度和气体环境，持续监测样品和样品环境状态，并测量空间辐射和太阳紫外数据。

空间辐射生物学装置于今年6月顺利安装至既定的舱外暴露平台并正常开展空间科学实验，这也是我国首次开展舱外辐射生物学暴露实验。目前，随着神舟十六号返回的首批生物实验样品经检查状态完好，标志着空间辐射生物学装置顺利完成了首批样品的暴露实验，并通过创新技术在世界上首次实现了在轨观测不同线虫个体全生命周期在空间的生长、发育、组织器官及分子标志物的变化。同时，研究人员基于线虫相关分子变化，成功筛选出抗辐射的药物，在对线虫使用抗辐射药物之后，能够发现它寿命和生殖的改变，以及线虫的损伤效应出现了缓解现象。

科研团队后续将对返回的生命科学实验样品进行生物学检测分析，通过与地面比对分析，认识重力变化对细胞生命活动的作用规律，发展基于生物力学的空间细胞-组织动态培养新实验技术；探究重力效应对密码子起源的影响，为生命的化学起源理论体系提供重要的科学依据；解析长周期辐射对线虫休眠体的影响，尤其是遗传系统的损伤，分析空间辐射损伤的品质因子，构建空间辐射损伤评估模型，为辐射防护等提供指导。

利用空间站暴露平台进行生物学实验，将为人体生物体辐射损伤、遗传变异、辐射防护药品制备，以及辐射风险生物学评估提供技术支撑，对我国航天员在轨长期生存、载人登月等具有重要意义，还可以对核医学、放射医学等研究提供重要支撑。

文章来源： 中国科学院空间应用工程与技术中心，中国航天报，央视新闻，甘肃省科学技术厅