2021年国际空间站科研与应用进展

本文回顾了2020年10月至2021年10月国际空间站在技术开发与验证、物理科学、生物学与生物技术、教育和文化活动、人体研究及地球与空间科学6个领域的科研与应用情况，分析了各领域的代表性新实验，盘点了这一时期取得的亮点研究成果。

分析表明，2021年国际空间站继续开展大规模的科研与应用活动，美国、日本、欧洲和加拿大的航天机构在6大研究领域支持开展了313项实验，其中在国际空间站首次开展的新实验超过40%。同时，国际空间站正处于科研与应用产出高峰期，6大研究领域都持续产出新的亮点科研成果，例如微重力生物采矿表现更好、观测地球蓝色喷流等，吸引了全球科技界的广泛关注。

总重420 t的国际空间站是当前在轨运行最大的空间平台，同时也是一个拥有现代化科研设备，可开展大规模、多学科的基础和应用科学研究的

当前，国际空间站支持在技术开发与验证、物理科学、生物学与生物技术、教育和文化活动、人体研究及地球与空间科学6大研究领域长期持续开展丰富多样的科研实验项目，并持续产出许多重要的科学研究成果，催生重大科学发现、服务国计民生、推进未来深空探索等应用效益逐渐显现，同时促进了空间和地面上的创新应用发展。

国际空间站（图片来源：NASA网站）

本文基于美国国家航空航天局（NASA）国际空间站计划网站公布的实验信息和NASA发布的国际空间站年度成果报告，进行统计分析、文本挖掘、文献揭示和综合研判，概述国际空间站2021年科研与应用活动的总体情况。

2021年国际空间站科研应用活动概况

通过对NASA国际空间站计划网站公布信息的梳理，2020年10月至2021年4月开展的国际空间站第64次长期考察任务和2021年4月至2021年10月开展的国际空间站第65次长期考察任务在技术开发与验证、物理科学、生物学与生物技术、教育和文化活动、人体研究及地球与空间科学6大研究领域 共开展了313项科学研究实验 。

NASA、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）在6大研究领域支持开展的实验项目数及其中新实验的项数如下表所示。

2021年国际空间站科研应用进展

01

技术开发与验证实验

技术开发与验证实验共计84项，其中43项为新实验，NASA、JAXA和ESA分别支持开展了23项、12项和8项新实验，小卫星及控制技术、机器人技术等研究方向的新实验最多。

NASA的新实验Alpha实验部署一颗1U立方体卫星（1U尺寸为10 cm×10 cm×10 cm），旨在验证用于太阳帆的高逆反射材料并在轨测试下一代芯片卫星的关键功能，同时还将验证利用3D打印技术生产立方体卫星结构的可行性。

JAXA利用暴露实验扶手连接结构开展了3项新实验：（1）空间皮肤实验测试将电子器件和传感功能集成到纺织品中的电子织物技术，将首次在轨测试织物传感器对空间环境的耐久性。（2）天线金属网实验测试铜锆天线金属网暴露于空间环境下的耐久性，这种天线有望用于建造航天器的大型可展开反射天线。（3）光盘空间暴露实验项目测试光盘暴露于空间环境下的耐久性，将送返地面验证存储数据是否仍能读出。

ESA新实验小型体温计验证一种通过计算头部或胸部的热通量来测量核心体温的新设备，以期深入了解长时间空间飞行中的人体体温调节情况。

在新成果方面，JAXA支持开展的暴露实验扶手连接结构-辐射屏蔽实验发现，在聚合物材料中添加硬硼钙石可减少材料吸收的辐射量，有望用于为卫星、近地轨道空间站和高空飞机等提供更好的辐射防护。NASA支持开展的水泥固化微重力研究实验发现，微重力下铝酸三钙和石膏混合物形成独特的微观结构，呈现更高的多孔性，可能影响材料强度，这些发现有助于开发用于空间建造的新材料。

日本实验舱暴露设施（图片来源：NASA网站）

02

物理科学实验

物理科学实验共计67项，其中新实验有19项，NASA、ESA和JAXA分别支持开展了16项、2项和1项新实验，材料科学和流体物理研究方向的新实验最多。

NASA国际空间站材料暴露系列研究开展了3项新实验，对离轨材料、相变材料、辐射防护材料、薄膜太阳能电池、微型光学芯片、涂层、3D打印聚合物、纳米金属和纳米陶瓷、作物种子等进行空间环境暴露研究。

ESA透明合金-METCOMP新实验利用新戊二醇-三羟甲基氨基甲烷有机透明模型系统，原位观察包晶合金系统层状结构随时间的形成过程。

JAXA电磁悬浮炉-快堆严重事故分析用控制棒共晶熔化材料的热物理特性新实验，首次采集模拟碳化硼和不锈钢混合物熔化行为材料的热物理性能数据，用于钠冷快堆严重事故情景模型分析。

在新成果方面，NASA支持开展的火焰设计实验，利用燃烧集成机架研究气体燃料球形火焰的烟尘产生与控制。研究者开展了一系列观测，包括火焰增长率、燃烧器加热和火焰半径的耦合关系等。这些观测增强了对火焰行为的理解，有助于确保航天器的安全。

火焰设计实验中点燃的火焰（图片来源：NASA网站）

03

生物学与生物技术实验

生物学与生物技术实验共计61项，其中新实验有29项。NASA、JAXA和ESA分别支持开展了21项、4项和4项新实验，细胞生物学、动物生物学和微生物学研究方向的新实验最多。

NASA高等植物系列研究开展了2项新实验，一项是研究重力和空间飞行其他相关环境因素如何在基因表达水平上影响植物，以评估空间飞行中RNA对植物根、芽中基因表达的调节作用；另一项是研究野生型和突变型拟南芥在微重力环境下的生长发育能力，以及表达不同应激反应基因的能力，有望用于构建更活跃的多胺代谢途径，调整植物应对微重力逆境的能力。

JAXA微重力诱导的肌肉萎缩抑制剂新实验研究新概念生物材料、泛素连接酶抑制剂等对微重力诱导的肌肉萎缩的抑制作用，有望助力开发适用于航天员和老年人对抗肌肉萎缩的药物。

ESA免疫细胞活化新实验旨在了解微重力环境是否对免疫细胞和黑色素瘤细胞与磁性纳米颗粒的结合产生影响，并验证空间飞行中与纳米颗粒上载相关的基因表达上调或蛋白质活性变化。

在新成果方面，ESA支持开展的生物岩实验发现，微生物在空间中可以从玄武岩中提取稀土元素，且在微重力下可能表现更好，这意味着未来深空探索中有望利用生物采矿技术获得所需元素。

飞行前的生物岩实验中生长在玄武岩上的微生物（图片来源：NASA网站）

04

教育和文化活动实验

教育和文化活动实验共计42项，其中28项为新实验。

NASA支持开展了13项新实验，涉及对比空间和地面教室生长的动植物，在轨3D打印，空间环境对神经退行性疾病、免疫系统反应等影响，可能作为空间食品的生物，微重力对各类材料和结构、各种生物的影响等内容。

ESA支持开展了9项新实验，涉及颗粒材料阻尼效应研究，研究不同形状的物体围绕中间轴旋转的状态，观察黏菌，暴露欧洲野花种子等内容。

JAXA支持开展了5项新实验，包括在轨航天员参加论坛高端对话、拍摄纪念视频和空间食品等。

CSA支持开展了1项新实验，将送入空间的120万颗西红柿种子送返地面并分发给学生，与未曾送入空间的种子开展种植对比。

05

人体研究实验

人体研究实验共计38项，其中新实验有7项。

NASA支持开展了5项新实验，其中减轻关节炎依赖性炎症——第一阶段实验评估微重力和空间辐射如何影响骨组织的生成，研究生物胶原蛋白和生物活性代谢物在空间飞行中的潜在保护作用。

ESA支持开展了2项新实验：一项是肌肉电刺激改善空间任务中的锻炼效果实验，旨在评估具备全身肌电刺激功能的可穿戴紧身衣对空间飞行前后航天员锻炼效果的改善情况；另一项是在空间中使用干式脑电图头带开展睡眠监测实验，旨在开发基于干式脑电图头带的有效、经济、舒适解决方案，以监测长期空间飞行任务期间航天员的睡眠。

在新成果方面，NASA支持开展的空间飞行对心血管干细胞功能的影响实验发现，空间飞行使得成年及新生的心血管干细胞的能力均得到增强，有望提升其再生、存活和增殖能力，相关发现对再生医学研究有重要意义。

减轻关节炎依赖性炎症实验研究人间质干细胞成骨诱导分化（图片来源：NASA网站）

06

地球与空间科学实验

地球与空间科学领域共开展了21项实验，其中7项为新实验。

NASA支持开展了4项新实验。其中，用于离子中性研究的电离层热层扫描光度计实验对地球电离层开展二维层析成像，增进对电离层不同区域和不同扰动水平下的垂直和水平结构的了解。

JAXA支持开展了2项新实验。其中，暴露实验扶手连接结构-宇宙生物学-日本-3实验，对3种样本开展为期1年的暴露实验，并送返地面进行分析：研究脱氮细菌的锰含量对其暴露于太空环境后的存活率和细胞损伤的影响；对比白米和紫米种子，研究花青素对保持种子活性和mRNA稳定性的作用；研究蓝藻、苔藓等是否能够在火星风化层成分中生长。

ESA支持开展的ESA-生物膜新实验比较不同金属表面在各种条件下细菌生物膜的形成和抗菌性能。

在新成果方面，安装于舱外的ESA大气-空间相互作用监测器（ASIM）观测了地球云层上部正负电荷区域扰动产生的放电现象——蓝色喷流，通过更好了解雷暴对地球大气层的影响，将有助于完善大气模型，更好开展气象及气候预测。

用于离子中性研究的电离层热层扫描光度计（图片来源：NASA网站）

结 论

通过对2020年10月至2021年10月国际空间站科研与应用活动最新发展情况的回顾和评估，国际空间站科研与应用发展呈现出2个新特点。

1）从科研实验项目情况来看，国际空间站继续开展活跃的科研与应用活动，各国航天机构支持开展的实验规模和研究领域侧重点 各有不同，各研究领域新实验集中的研究方向值得关注。

NASA、JAXA、ESA和CSA在6大研究领域支持开展了313项 实验，其中首次开展的新实验达133项，占比42%，反映出国际空间站的科研与应用活动高度活跃。

NASA支持开展的实验高达200项 ，占实验总数的64%，其中新实验有82项，占全部新实验数的62%。NASA支持开展的技术领域实验最多，其次为物理和生物领域实验。JAXA和ESA支持开展的实验规模相当 ，JAXA更聚焦技术和生物领域实验，ESA则更聚焦技术、人体研究、教育领域实验。CSA实验最少，相对更聚焦人体研究实验。

从新实验的学科分布 来看，技术和生物领域新实验最多，各研究领域中新实验最多的研究方向 分别是技术领域的小卫星及控制技术方向、物理领域的材料科学方向、生物领域的细胞生物学方向、教育领域的学生开发实验方向、人体研究领域的骨骼与肌肉生理学方向、地球与空间科学领域的对地观测方向。

2）从科研成果角度来看，国际空间站正处于科研与应用高峰期 ，持续产出新的亮点科研成果。2020年11月—2021年11月，基于国际空间站各项科研活动共发表400余篇 论文，科研成果十分丰硕。未来面向运行至2030年 的总体目标，国际空间站有望产出更多亮点成果，同时造福空间和地面应用。

论文作者：韩淋，王海名，范唯唯，李超，李国鹏，杨帆

作者简介：韩淋，中国科学院科技战略咨询研究院，副研究员，研究方向为空间科技战略情报；杨帆（通信作者），中国科学院科技战略咨询研究院，研究员，研究方向为空间科技战略情报。

论文全文发表于《科技导报》2022年第12期，本文有删减，欢迎订阅查看。

大学最有发展前景的50大专业推荐之（36）——应用物理学

专业特点

主要培养掌握物理学基本理论方法，具有良好的数学基础和基本实验技能，掌握电子技术，计算机技术，光纤通信技术，生物医学物理等方面的应用基础知识，基本实验方法和技术能在物理学，邮电通信，航空航天能源开发计算机技术及应用光电子技术，医疗保健，自动控制等相关技术领域，或在高校从事科研、教学技术开发与应用管理等工作的高级专门人才。

就业前景

有较强的社会适应性，既具有从事基础科学研究的基础知识，也具有在应用物理技术，电子信息技术等领域从事高科技开发的实际业务能力，适合在工业、交通、邮电，金融、商业等行业从事科技开发生产和管理工作。

考研方向

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