逃离地球|“天宫课堂”回顾：人类在太空做过哪些实验，如何保障实验安全？
为何要在太空做实验？
逃离地球物理的“束缚”
众所周知：太空的重力水平为地球表面重力的百万分之一 ， 被称为“微重力”环境 ， 非常适合做实验 。 因此从这个角度讲 ， 实际上空间站就是一个进行科学实验的“微重力”实验室 。 在这里 ， 人类以往积累的科技知识和经验 ， 都有了被改写的可能 。 因为在这里 ， 蜡烛不会持续燃烧、没有风、水没有浮力等等 。
很多物理概念 ， 必须重建新的物理模型、总结新的规律、创建新的定理或定律 。 而在这一整套重构模型、经验和定理、定律的过程中 ， 就给了人类一个“重新开始”的机会：打破以往的理论藩篱 ， 发现新的科学依据 ， 从而来解释目前地面上依然存在的疑难问题 ， 从而真正为改善和指导未来地面的人类科技发展 ， 提供科学依据 。
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不能在地球上做的实验
可以去太空试试
什么是不能在太空做的实验？比如说钴弹实验 ， 微型黑洞制造实验等等：钴弹 ， 顾名思义 ， 就是采取“钴59”为材料制造弹头的核武器；在爆炸时 ， 他会在核聚变的催动下 ， 将钴59挥发为钴60 ， 在半小时之内 ， 跑遍整个大气层 ， 给生灵带来灭顶之灾 。
之所以修建国际空间站 ， 就是为了在太空环境里完成实验；未来人类还策划前往火星 ， 在那里进行更多类型的实验 。 对于人类文明的发展历程来说 ， 我们迄今为止最大的发现 ， 莫过于现代科学 。 但是 ， 随着我们科学水平的不断提高 ， 很多科学实验都已经不能在地球上开展了 。 美国哥伦比亚大学天文系教授韦恩 ， 在二零一八年的全球科技峰会上 ， 就提出了前往火星 ， 以完成NASA的最新各项实验的计划 。 这些实验里 ， 包括且不限于曲率引擎的制造 ， 可控核聚变等等 。 其实 ， 之所以世界各国都在上世纪末 ， 不约而同的打造了国际空间站；就是因为太空的重力环境和一些其他条件 ， 能够完成地球上所不能完成的实验 。
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当然除了大型实验
空间站也做过很多有趣实验
—好玩的史莱姆
2020年 ， 国际空间站收到了2升的史莱姆水晶泥 。 水晶泥是一种很受儿童欢迎的玩具 ， 介于固体和液体之间 ， 由无毒的粘滑胶质材料制成 。 地面研究人员要求收到水晶泥的宇航员们做实验 ， 比如在注射筒里灌满水晶泥往其他宇航员身上喷；把气球装上水晶泥戳破；或将水晶泥做成小球 ， 让它在空中飘 。
研究人员希望通过这些“玩”的过程 ， 来观察非水的流体在失重状态有什么行为 ， 以为今后处理空间站的二氧化碳、废水、植物浇水等问题提供思路 ， 甚至为太空生命支持系统的研究做铺垫 。 当然了 ， 在整个实验过程中 ， 宇航员玩得也很开心 。
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—人体细胞组织芯片
这些芯片用来模拟人体各个器官 ， 比如心脏、肺或肾脏等 ， 以了解微重力环境对人类健康的影响 。 微重力下人体出现的许多变化 ， 与地球上人体衰老所出现的变化类似 ， 比如骨骼和肌肉的流失 。 通过在细胞组织芯片上观察和做各种实验 ， 可以了解这些影响及帮助开发新药 。
该芯片内含人体组织细胞 ， 用集成在芯片中的微型管道模拟人体内部循环 。 其标准化的设计有助于准确的分析及在太空狭小的环境中做实验 。
—微重力下生存水母
为测试失重对水母发育的影响 ， 1991年NASA曾用哥伦比亚号航天飞机将2,478只名叫“Polyps”的水母上太空 。 水母非常适应太空的生活 ， 测试结束时 ， 它们繁殖到了6万只！不过当它们被送回地球后遇到了点麻烦 。 这些水母在有重力的环境下游泳时 ， 表现出不规则的跳动和移动 ， 就像它们喝了酒精饮料 ， 无法控制自己的平衡 。
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—沙门氏菌实验
2007年 ， 亚利桑那州立大学的研究人员将沙门氏菌(最常见的引起食物中毒的细菌之一)样本送入太空 ， 以了解细菌在微重力下的反应 。 得出的结果令人不安 ， 这种细菌在太空中的毒性变得更大 ， 这对想移民太空的人类来说不是个好消息 。
【逃离地球|“天宫课堂”回顾：人类在太空做过哪些实验，如何保障实验安全？】—昆虫生存实验
水熊虫
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水熊虫非常小 ， 大约为50微米到1.4毫米之间 ， 被认为是地球上生命力最强的生物 。 看看以下这些数字就能了解它有多顽强 ， 水熊虫在隐生情况下 ， 可以在接近绝对零度(-272°C)、高温(151°C)、高辐射、达到人类致死1,000倍的X射线照射、真空或6,000大气压等环境下生存数分钟至数日 。 (隐生是指缓步动物为抵御不良环境 ， 将其身体中的水分大幅降低 ， 身体呈现萎缩状态并停止新陈代谢的一种生命状态 。 当周围环境好转时 ， 隐生动物就可以复苏 。 )
水熊虫是第一种已知的可在太空中生存的动物 。 2007年 ， 水熊虫在低地球轨道 ， 暴露于太空中10天后 ， 一部分水熊虫活着回到了地球：那些位于被航天器遮挡着太阳辐射的地方的水熊虫大部分都活下来了;而直接暴露于太阳辐射下的水熊虫 ， 复苏率低 ， 即使活下来 ， 它们的生育能力也受损 。
蜜蜂
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科学家期望蜜蜂可以帮助人类在太空中生活 ， 比如给植物授粉 ， 或为航天员提供蜂蜜 。 波兰有一个叫Lunares的研究站 ， 可以模拟月球或火星基地环境 ， 一些实验或宇航员训练在那里预演 。
有一次 ， 科学家把90,000只蜜蜂送入研究站 ， 不幸的是 ， 进入研究站的蜜蜂出现越冬状态 ， 并开始大量死亡 ， 每四天就有1000-1200只蜜蜂死亡 ， 雪上加霜的是 ， 蜂巢也停止哺育后代 。 在模拟实验期 ， 蜜蜂完全无视科学家放的代替花粉的螺旋藻粉 ， 它们最多冒险去喝点水 ， 或挤在灯泡下取暖 。 死去的蜜蜂得不到补充 ， 使蜂箱温度变得更低 ， 从而导致更多蜜蜂死亡 ， 事情发展成了恶性循环 。 这次测试似乎让科学家得出结论 ， 让蜜蜂在外星环境中执行授粉任务可能是错的 ， 现在他们已经把目光投向了用小型无人机来取代蜜蜂 。
蜘蛛
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科学家把两只金球蜘蛛(Nephila clavipes)发往太空 ， 观察他们在微重力环境下结的网与在地球上的有什么不同 ， 结果是还真有点不一样 ， 蜘蛛在太空中结的网更圆 。 在这期间 ， 教育机构把太空中的蜘蛛实验和学生教育融合在一起 ， 让学生在教室里同步观察比较 。
蜘蛛在天上织网的2014年 ， 恰逢《超凡蜘蛛侠2》上映 ， 人们对辐射后生物是否会变异比较关心 。 空间站的航天员郑重告诉大家：虽然蜘蛛暴露于微重力和空间辐射中 ， 但它们并未变成“异形” 。
—研究骨质疏松
骨质疏松症是长期生活在太空中的宇航员得的一种常见病 。 科学家希望通过对青鳉鱼的研究 ， 了解在微重力环境下骨质疏松症发生的原理 ， 以及可能的治疗手段 。
科学家之所以选择青鳉鱼是因为 ， 首先它们是脊椎动物 ， 也就是说它们有骨骼和肌肉 。 其次它们是透明的 ， 科学家可以透过其外部观察它们身体内的情况 。
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回顾“天宫课堂”
想要入选需要哪些条件？
23日下午 ， 400公里高空之上 ， “天宫课堂”第二课顺利开讲 ， 太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等一系列别有趣味的实验轮番上演 。 什么样的实验才能入选“天宫课堂”的课表？未来太空授课还可以演示哪些实验？对于这个问题“天宫课堂”授课专家组成员、北京交通大学副教授陈征进行了解读 。
比如 ， “天宫课堂”第二课中 ， 晶莹剔透的水在两块塑料之间架起一座“液桥” ， 给观众们留下深刻印象 。 陈征以液桥演示实验为例介绍 ， 这个实验拿到空间站去做 ， 可以从多个角度去分析 。 “从一个物理老师的角度 ， 虽然我们很多人对表面张力现象耳熟能详 ， 但是有关流体的知识我们从小到大接触的并不多 。 ” 陈征说 ， 液桥演示实验给大家更多关注、探讨、理解流体的机会 。
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而除了激发兴趣和好奇心 ， 在空间站进行太空授课对实验提出更多要求：
“第一是安全 ， 不能危及我们空间站的运行 ， 不能有任何的安全隐患；第二 ， 实验现象要和地面有明显的差异；第三就是方便航天员操作 ， 不会给航天员造成太多额外负担 。 ”液桥演示实验在各方面都很符合上述条件：在地面上做液桥实验需要高压和其他苛刻条件 ， 而在空间站中只需要普通的水和容器就可以 ， 实验现象和地面有明显差异 ， 器材要求简单 ， 操作也十分方便安全 。
那么在空间站微重力的环境下 ， 将来还有可能做哪些既好玩好看 ， 又简单安全的实验？“微重力环境是一个基础条件 。 在那个环境下 ， 有些（现象）是我们能想到的 ， 有些（现象）是我们想不到的 。 ” 陈征说：在太空失重的环境下 ， 植物的生长方向比如向光性、向水性会不会受到重力因素的影响？他认为 ， 不只是物理现象 ， 重力和我们身边很多现象都有关系 ， 这些都可以在空间站做一些尝试 。
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在这里我们要注意到的一个关键词：安全
去年的南航实验室事故 ， 相信各位科研工作者都还记忆犹新：高校实验室 ， 是激发创新灵感、诞生科研成果的重要摇篮 ， 也是青年学子探索科学真理、掌握科研方法的关键起点 ， 近年来也时常成为起火、爆炸等意外的发生地 。
仅仅去年 ， 实验室安全事故就有多起见诸报端 ， 而随着我国高校的科研能力逐渐增强、科研投入不断增大 ， 实验室的体量越来越大、种类越来越多 。 危险化学品（以下简称危化品）、易制毒易制爆材料复杂集中 ， 开展实验的学生流动性大等因素 ， 导致高校实验室安全风险客观存在 ， 但部分高校对实验室安全不够重视 ， 相关法律法规存制度缺失 ， 安全管理专业人才缺乏 ， 对危化品管理较粗放 ， 也为实验室安全埋下隐患 。
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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 。
管理实验室安全
是一件不容忽视的大事
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
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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 。
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无论在太空还是地面
做实验的第一要务：都是安全
既是实验人员的安全
也是人类科技未来的安全
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