文/ 迟惑

国际空间站最大的用处，显然是科学研究。因为具备微重力、宇宙辐射等多重地球上难以模拟的条件，国际空间站一直是相关行业科学家们向往的高端实验室。严格来说，国际空间站目前还没有取得特别重大、足以颠覆人类认知和生产生活方式的科学发现和科研成果，而且多数科研项目的内容艰深晦涩，难以为外行所理解。但千里之行始于足下，国际空间站目前为止取得的成果、特别是进一步开展高端科研的潜力，让全世界科学家们激动不已。

国际空间站上的科研活动基本可以分为以下几个领域。

▲ 国际空间站全貌

生物科学与生物技术

国际空间站在不受重力限制的情况下研究生物或生命科学，其中包括重力和基因组多样性在生物过程中的作用。

我们所认知的细胞、微生物、动植物都是在地球重力作用下进化和发展的，一些生物系统的遗传多样性在地球环境中被掩盖了。如果进入微重力环境加以对照，就会展现出重力环境对进化产生了什么影响。人们已经发现，微重力下微生物的毒性会增强，干细胞会展现出多能性。

国际空间站研究的结果对理解基本的生物过程、了解压力反应、开发能防治疾病的药物和治疗方法、改善地球上的食物供应、提高太空探索的生命支持能力等都有重要意义。此外，更好地了解其中一些生物过程（如微生物的毒性和浮游生物与细菌生物膜形式的行为）也可能对航天员的健康和改善地球上的生命产生影响。

@晶体学

例如在分子生物学领域，蛋白质结晶是这门学科的前沿。高质量大分子晶体的生长对于蛋白质工程师、生物化学家和药理学家来说都是至关重要的。生物技术和制药研究人员一直在设法改善蛋白质结晶过程，以生长大而有序的晶体，用于X射线和中子衍射研究。然而，在地球上，由于晶体溶液中的分子大小和重量不均匀，蛋白质结晶过程受到沉降和对流力的阻碍。这导致许多形状不规则、尺寸小的晶体无法进行衍射。

国际空间站上的微重力环境相对不受沉降和对流的影响，为晶体生长提供了一个特殊的环境。在微重力条件下生长的晶体，可以获得许多重要蛋白质分子原子三维结构的详细知识，可以用于癌症治疗、中风预防和其他疾病的药物研究。

@微生物学

对微生物进行研究，主要是为了未来长期宇宙飞行做准备。人类本身是微生物的宿主，正常人体内的微生物数量是人体细胞的10倍。在地球上，这些微生物已经学会了如何与人体共生。但是在宇宙里，它们会不会发生变异，有害于人体呢？这是空间站微生物研究的一个重要方向。目前，空间站上的微生物污染研究和微生物对空间环境的反应研究已经取得了重大进展。

▲ 航天员在抽取微生物的DNA进行试验

@动物学

国际空间站为研究微重力和空间环境对各种生物的影响提供了独特的环境。啮齿动物（大鼠和小鼠）是最常用的动物类型。一般来说，空间站成员组要在站内停留180天或更长时间，而啮齿类动物的寿命一般也不过只有3～4年。因此，把它们带进空间站里生存，可以用来推断其对人类在太空中长期生活的影响。

空间站科学家们一直在尝试利用当前的技术，例如基因工程来研究小鼠在微重力环境下骨丢失的分子机制，然后尝试药物干预。美国宇航局还特别对动物生理系统是如何适应太空飞行的感兴趣。

日本宇宙航空研究开发机构把一种奇怪的小鱼送上了国际空间站。它叫做日本水母鱼。其实这真的是一种脊索动物，而不是水母那种腔肠动物。水母鱼的身体是完全透明的，所以科学家们能通过荧光观察和活体成像，很容易地观察到它的行为和生理变化。因此，科学家们经常用它来做科学研究。科学家们发现，水母鱼的牙齿长在咽喉部位，成年水母鱼的牙齿有数百颗。这个部位对重力比较敏感，在国际空间站上，科学家们发现这里出现了许多破骨细胞（分解骨组织的细胞）。

▲ 国际空间站上的老鼠培养器

▲ 国际空间站的微重力生命实验室内景

▲ 国际空间站上的小鱼依然存活

▲ 水熊虫在国际空间站上表现出了旺盛的生命力

与正常牙齿相比，水母鱼在牙槽骨区的骨密度增加了约56%，在大脑、眼睛、肝脏和肠道的组织中发现了一些基因变化，肠道似乎对微重力最敏感。水母鱼的游泳能力在微重力环境 下没有受到很大影响。但是表现出了一些在地球上不会发生的奇特行为，如倒立、垂直，还会把自己卷成一个圈来游泳。此外，研究人员还发现，在微重力环境下，直到第33天的交配行为与地球上还没有什么不同。到第47天，水母鱼就懒得动了，表明肌肉运动发生了减少。

@植物学

空间植物生物学在过去四分之一个世纪的发展，极大地提高了我们对植物的认识：如何对重力做出反应；为先进的植物生长设施的设计提供了信息；实现了完整的生命周期；并证明了生物生命支持所必需的生理过程是可持续的。在这一过程中，植物在微重力环境下的园艺技术正在发展，并探索了植物/微生物之间的相互作用。在几十年的太空飞行实验中取得的进展也让我们发现了，目前我们关于重力和太空飞行环境对细胞、组织、整个植物群落的生物学作用还存在着认识上的重大差距。

▲ 国际空间站上的蔬菜培养箱

在这种情况下，国际空间站是一个独特的平台，在那里，重力降低可以用来探测和解剖植物的生物机制，以了解陆地生物如何对重力做出反应。这一知识对于通过生物再生生命支持、利用植物和微生物群落来支持人类在太空中的安全和长期居住，以及通过设计解决与太空生活有关的问题对策来降低航天员的探索风险，都是很重要的。此外，通过使用带有离心机的设施，科学家可以研究植物如何对月球和火星上重力降低的环境做出反应。

人类研究

历史证明人类有能力在太空中安全地生活和工作。国际空间站是扩展和维持人类活动的平台，为长期的探索级任务做准备。它提供了机会，通过多学科的研究行动来解决有关航天员健康的关键医学问题。

国际空间站目前正在进行的多学科生物医学研究包括行为健康和表现、骨骼和肌肉生理学、运动对策、心血管生理学、营养学和免疫学。这些生命科学研究的目的是提供对微重力环境中发生的许多生理变化的透彻理解。人体发生的许多生理变化包括：着陆后易晕倒；由于微重力对眼睛和视神经的有害影响而可能导致视力变化；血容量变化；心脏大小和容量减小；姿势和运动改变；有氧能力下降；肌肉紧张；睡眠困难；肾结石形成的风险增加；骨骼变弱。

这项研究的重点是航天员的健康和表现，以及制定对策，以保护航天员在长时间航行期间免受空间环境的影响，评估新技术以满足未来探测任务的需要，并制定和验证长期空间飞行任务的操作程序。

例如，美国宇航局开展了一项奇怪的双胞胎试验，把一对双胞胎中的一人送进太空，另一人留在地球上。这项实验并不是要研究传说中的心灵感应，而是用一天一地的兄弟作为对照，研究人体在适应太空飞行环境时的弹性和鲁棒性。

这项研究被认为是未来空间生物研究的基石，研究重点是人体内的分子变化以及它们对航天员健康有什么影响，可能造成什么永久性改变。在实际中，进入太空的那一位在返回地球6个月后，体内分子情况回到了地球上的正常水平。

人们通过对比，发现上天的那位双胞胎发生了显著的变化，包括染色变化、颈动脉扩张和眼部动脉壁增厚。这项研究目前还远远没有到下结论的时候。不过有件事现在就能下结论，所谓双胞胎心灵感应这种事，只是传说而已。

物理科学

国际空间站为开展微重力物理科学研究提供了一个长期的太空飞行环境。微重力环境大大减少了浮力驱动的对流、压头和流体沉淀。通过消除重力或将重力作为实验设计的一个因素，国际空间站使物理科学家能够更好地理解流体物理；界面动力学，例如液体和气体之间的接触线；完全或部分由粒子组成的系统的物理行为；无浮力对流下的燃烧过程和材料特性。

@流体物理学

流体是任何一种在外力作用下流动的物质，因此，液体和气体都是流体。几乎所有的生命维持、环境和生物过程都发生在流体阶段。流体运动在自然过程和人为过程中以及在所有生物体内的运输和混合过程中占了绝大多数。流体物理学是研究液体和气体的运动以及与之相关的质量、动量和能量传输的学科。为了更好地理解流体的行为，我们建立了一个充满活力、多学科的研究团体，基础科学和应用科学中不断出现的新领域标志着其持续的活力。特别是，低重力环境为研究流体物理和输运现象提供了独特的机会。近乎失重的环境使研究人员能够以地球上不可能的方式观察和控制流体现象。

▲ 国际空间站上的流体实验设施

在太空中进行的实验取得了丰硕的成果。其中一些是出乎意料的且大多数是地球实验室无法观测到的。这些结果为研究适用于陆地和空间环境的基本流体行为提供了有价值的见解。此外，推进系统和生命维持系统的流体管理和传热研究，为美国在太空探索方面的领导地位作出了巨大贡献。

@燃烧

当燃料和氧气反应产生二氧化碳、水和热时，就会发生燃烧。在可预见的未来，陆地应用中输送的绝大多数能量将来自燃烧或其他化学反应系统。这些能源用途涵盖了从电力和运输到直接与交付材料相关的过程（如玻璃和钢制造）。这些过程产生了目前人类面临的一些最重要的环境危害（全球气候变化、酸性气体污染、煤造成的汞污染和野火）。

尽管燃烧过程是80多年来积极研究的主题，但燃烧过程仍然是控制最差的现象之一，对人类的健康、舒适和安全有着重大影响。这是因为最简单的燃烧室（如厨房炉灶）仍然超出了我们详细的数值模拟能力。燃烧过程通常涉及大量化学物质（数百种）和反应（甚至数千种）。正是这些物质和反应决定了可燃极限（燃烧室工作范围）和污染物排放。许多燃烧研究都涉及到对这一复杂过程的全面和预测性定量理解。

国际空间站允许改变或消除重力的影响。通过这样做，我们可以提取对理解燃烧系统很重要的基本数据。该方法已在现有的陆上减重力平台上得到了一定程度的应用，但实验的时间尺度和规模有限。使用真实尺寸的长时间实验对于全面了解燃烧现象至关重要，而且只有在空间设施提供的微重力环境中才有可能进行。

在地球上，由于引力的存在，燃烧会引起火焰附近空气的对流和沉降。但是在微重力环境下，火焰会发生什么变化呢？这就是人们在国际空间站上开展的BASS-II（固体燃烧和抑制-II）试验要解答的问题。

之所以要研究这个问题，并不是因为航天员要在飞船里烧烤，而是空间站里也要考虑消防问题。特别是在前往火星和深空的探索活动中，飞船上不可避免地要使用强电、高温。消防问题能不能解决好，对航天员的安全意义重大。对火焰的更深刻理解，也能在地球上的消防和安全用火中起到很大作用。

研究期间，航天员对不同的固体航天器材料进行了测试，以了解它们燃烧的效应。在太空里，火焰也能将绝大多数氧气转化为二氧化碳，但不同气流条件下的不同燃料样品，产生的一氧化碳与二氧化碳的比例也不同。事实上，大多数燃烧生成物中，一氧化碳与二氧化碳的比率比地球上的火焰要高得多。这表明，有些物质在地球上燃烧后通常不会对人类健康构成威胁，在太空中可能会产生严重的风险。

▲ 空间站上观测到的火焰

@材料科学

大多数材料是由部分或全部流体样品形成的，热和质量的传递固有地影响材料的形成及其合成特性。与重力有关的热量和质量传输源的减少可用于确定物质形成过程如何受到重力驱动和重力独立的热质传递源的影响。

地球与空间科学

近地轨道空间站的存在为收集地球和空间数据提供了有利条件。它可以从大约400公里的高度获取冰川、农田、城市和珊瑚礁等地面事物的信息。虽然用国际空间站来从事遥感活动的性价比远不如无人的遥感卫星，但它具有两个独特价值，首先是可以为一些新型遥感器提供有人照料的在轨测试平台；其次，人类可以在轨道上直接观察地球，能够获得更加直观的感受和激发灵感。

航天员还可以根据要观察的对象不同，灵活更换窗口观测研究设施（WORF）的传感器系统和有效载荷。这是卫星很难做到的。

▲ 国际空间站上的瞭望台是遥感地球的最好位置

▲ 国际空间站上看到的晨昏线

▲ 国际空间站上看到的欧洲夜景

▲ 国际空间站上看到的台风

基础物理

基础物理的研究涉及空间、时间、能量和物质的组成部分。现代物理学的基本理论是以爱因斯坦的相对论和粒子物理的标准模型为基础的。然而，作为科学家，我们知道这些理论所描绘的图景仍然不完整。爱因斯坦的万有引力理论还没有得到证实，它与在所有尺度上定义其他自然力的理论是一致的。此外，最近的天文观测和宇宙学模型强烈地表明，暗物质和暗能量，它们是没有直接观测到也根本不被理解的实体，在最大尺度上支配着这些相互作用。所有这些无法解释的观察和不一致之处都表明了发现新理论的潜力。国际空间站为长期微重力环境研究提供了一个现代化和设备齐全的轨道实验室。对这种环境的常规和持续的访问使得基础物理研究可以从完全不同的角度进行。

国际空间站为一系列基础物理实验提供了一个独特的空间实验室，其规律和精度在地面上是无法实现的。空间环境用于实验的一些优势包括：长时间暴露在轨道自由下落环境中、易于测量重力势能和相对运动的变化、研究天体上极小的加速度、减少大气对光和无线电信号传播的干扰、能够跟踪和适应天体轨道运动的长时间段。

▲ 国际空间站上的冷原子试验设施

技术演示

国际空间站提供了一个能够演示原型和系统的基础设施，这些原型和系统可以为航天技术的研发提供条件。空间站、在轨机组人员、发射和返回飞行器以及操作控制中心都在支持演示未来探测任务所需的先进系统和作战概念。

美国宇航局已经确定了国际空间站能够支持的11个探测技术领域：

空间推进，空间动力和能源，机器人技术、远程机器人技术和自主系统，通信和导航，生命支持和居住系统，勘探目的地系统，科学仪器，进入、下降和着陆系统，材料结构和制造，热管理系统，操作流程和程序。

▲ 国际空间站上的维修区

国际空间站也会为一些新奇的人造物品开设试验。例如意大利航天局（ASI）研制的便携式3D打印机。在宇宙里进行3D打印的意义很大。国际空间站上也会遇到部件失灵、故障的问题，所以经常要准备大量耗材、占用大量舱内空间。有些无法备份的关键部件如果出现问题，就会影响国际空间站的正常运行。如果能采用3D打印来制造和修复一些部件，至少在收纳空间上就能带来大量节省，也提高了空间站的抗灾能力。

意大利人的这次试验并不是完美的，但是为人们提供了重要的数据，可以测量出3D打印样品材料表面的粗糙度、密度和孔隙率以及内部缺陷和机械性能，为进一步改进打印机和材料设计奠定了基础。

商业开发

▲ 对接在国际空间站上的毕格罗充气实验舱

随着国际空间站科学研究模式的成熟，商业化的研究活动也逐步开展起来。商业化研究的市场是由几个目标驱动的。首先，空间科学研究可能创造出过去无法实现的全新市场。其次，空间站研究让很多产业和企业得以参与太空活动，代表着巨大的经济机遇。第三，这不仅为未来的航天飞行，也为许多相关产业提供了强大的研发能力。