(部分资料来自中国科学院空间应用工程与技术中心《绚丽天宫 九霄上的实验室》)
火箭发射模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
电影《火星救援》中，宇航员马克·沃特尼被困火星，依靠种植土豆获取食物，驻留火星500多天……这个只出现在科幻电影里的经典桥段，如今正在现实中逐渐走入视野。
15日发射成功的“天宫二号”空间实验室，将开展十余项科学实验。其中一项就是“太空上种庄稼”。
“天宫二号”上，航天员将参与高等植物的样品回收。”中国载人航天工程总设计师周建平受访时说，航天员将在太空主要种植水稻、拟南芥等植物，以检测空间微重力对生命活动的影响，为以植物为基础的空间生命生态保障系统奠定技术基础，以达到将来在空间站设立种植基地的远期目标。
天宫二号模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
为何选择水稻和拟南芥?中科院上海生科院植物生理生态研究院高等植物专家郑慧琼表示，拟南芥和水稻是两种具有代表性的、典型的受到光周期调控的植物。“目前对于拟南芥生产发育和基因表达情况非常清楚，如果在空间生长过程中发生变化，很容易识别。水稻是中国人的主要食物来源，希望在未来可以推广到太空生活中。”
在太空中种庄稼可不比在地球，地球上的生命都是在1G的重力环境下进化而来，微重力环境将是太空种植面临的一大挑战。此前在和平号空间站进行的植物培养试验，植物虽然能够生存，但不能健康的生存。
高等植物培养箱(图片来源：中国科学院)
长时间在太空的微重力环境下，宇航员会发生航天综合症。”中科院空间应用系统总设计师赵光恒说，此次实验目的就是为了研究植物在空间环境如何健康生长。“我们希望能通过实验，未来让航天员在空间长期驻留的过程中，能够有菜吃、有饭吃，不需要全部从地面补给。”
在太空中种植植物，远比想象的要困难。在载荷有限的情况下，“天宫二号”既要满足航天员生存的基本需要，还要满足植物的生长要求。因此，和太空食品一样，太空植物所需的土壤和水，也要“私人订制”。
据高等植物培养箱设计专家张涛介绍，此次实验是以蛭石为土壤，铺在一个长方形的盒子里，里面放入种子。“这不是一个简单的盒子，里面功能很多，透气不透水，防止微生物，水可以通过回收装置循环利用等。”
图为太空生长盒(图片来源：中国科学院)
此外，蛭石和种子只占据了盒子四分之一的大小，其他部分则是为植物预留的生长空间。这个盒子将与储液箱、控制箱等一起放入密闭培养箱，由“天宫二号”带上太空。
张涛说，“天宫二号”入轨后，地面将发出上注指令，控制箱接收到卫星发射的指令后，会把营养液注入土壤，种子获得营养液后，实验正式启动。同时，培养箱里的光照系统和温度控制系统开始作用，为植物生长提供环境，箱内的观察相机也会对生长过程进行持续观测。
一切似乎都是按照程序自动进行的，那么航天员将会对植物的生长产生哪些作用呢?
“航天员在返回地球前，需要来到‘天宫二号’的特定区域，把高等植物培养箱外面的锁紧机构解开，拔出一个装有在太空中生长拟南芥的容器，装进特制的布袋子里带回地球供后续研究。”张涛说，取出容器之后，航天员还需要把解锁机构复原，因为其他植物还要继续在太空中生长。
高等植物培养实验室模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
解开、拔出、装入、复原……这几个看似简单的动作，航天员却需要经过多次训练，因为在微重力环境下，行动并没有那么方便。“为了让航天员能够按照科学的方法带回样品盒，需要给航天员提供训练设备，提供培训教材，进行实际操练。”郑慧琼说
当然，这难不倒素质过硬的航天员。他们表示，操作比较容易，还提出在太空植物培养方面，将来能够做更高难度的参与。
未来，随着中国空间站的建成，我国将执行越来越多的航天任务，后续的试验也将涉及更多的植物种类。也许有一天，依靠自己种植的粮食和蔬菜，在不提供补给的情况下，航天员真的可以在太空中存活500天。
我国未来将建成和运营的载人空间站模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
除了高等植物培养试验，“天宫二号”还要做一系列试验……
中国载人航天工程于1992年开始实施，是继“两弹一星”后，实现中华民族伟大复兴的重大工程，承载着中国梦、航天梦。按照“三步走”发展战略，我国载人航天工程已发射载人飞船，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，并已发射空间实验室，解决了有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。“天宫二号”空间实验室将是中国载人航天工程第二步的完美收官，具有里程碑意义。
“天宫二号”模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
“天宫二号”是继“天宫一号”之后，以实施空间科学和应用实验、空间技术试验为主要目标的空间实验室，学科领域涵盖微重力基础物理、空间天文观测、空间生命科学、空间材料科学等，航天员也将直接参与到科学实验中。它在未来我国在载人空间站上开展大规模、长期有人照料的空间应用积累技术和经验。“天宫二号”搭载五十余部科学应用载荷，将在轨开展十余项科学和应用实验，探索国际科技前沿。
全球第一台空间冷原子钟，能将航天器自主守时精度提高两个数量级;与欧洲空间局合作的伽玛暴偏振探测实验，可在空间中观测伽玛暴爆发及瞬变现象，在伽玛暴本质、宇宙结构、起源和演化等天体物理研究领域取得突破;空间生命科学研究，探究空间环境下高等植物的生长发育规律，获得微重力条件下植物的光周期诱导开花规律、调控机理等科学成果;量子密钥分发试验，保持我国在先进量子调控科学领域的领先地位。除此之外，“天宫二号”上还将开展多角度宽波段成像、多波段紫外临边成像、三维微波成像高度测量、综合精密定轨、液桥热毛细对流、综合材料实验、空间环境探测、伴随卫星等多项科学和应用实验。
伴随卫星拍摄到的“天宫二号”模拟图(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
空间冷原子钟实验：“天宫二号”上搭载了全球第一台空间冷原子钟，利用空间特殊环境，“天宫二号”将航天器自主守时精度提高两个数量级，为空间科学和技术、深空探测、广义相对论验证、基本物理常数测量、导航系统等方面获得超高精度时频基准奠定基础。
激光冷却原子技术，利用激光和原子的相互作用降低原子运动速度，可以获得超低温原子，把原子冷却到绝对零度附近。当把这种冷却后的原子放进微波场时，原子与微波的作用时间大大加长，使得原子钟的精度显著提高，从而实现高精度的“冷原子钟”。
冷原子钟模拟图。
量子密钥分配实验：量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。使用量子通信方式，可以确保通信中身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可以从根本上解决信息安全问题。
量子密钥分配是量子通信的核心环节。“天宫二号”上的量子密钥分配实验将诞生不会被拦截、被破译、被复制的密信，验证量子密钥传输，并为实现高速天地通信奠定基础。
量子密钥分配试验天上终端模拟图。
伴随卫星：“天宫二号”携带小卫星，并将在空间中验证小卫星在轨释放、驻留伴随飞行等技术。伴随卫星作为空间实验室的一部分，释放后对“天宫二号”近距离实时跟随，并可对“天宫二号”进行近距离拍摄。
伴随卫星模拟图。
多角度宽波段成像仪：多角度宽波段成像仪可获取广域覆盖的海洋、大气、陆地等图谱合一宽光谱景象，探测卷云、气溶胶、云顶高度等环境因素。将服务于地球环境监测、农业、林业、地质、灾害等领域。
多角度宽波段成像仪模拟图。
伽玛暴偏振探测仪：由中欧合作联合研制，采用康普顿散射效应测量伽玛暴偏振度，探测效率比国际上同类仪器高几十倍。在“天宫二号”控件实验中，开展在轨观测天体伽玛暴爆发、瞬变现象并进行偏振测量，在伽玛暴本质、宇宙结构、起源和演化等天体物理研究领域预期可获得具有重大科学影响的新发现。
伽玛暴偏振探测仪模拟图。
多波段紫外临边成像光谱仪：通过紫外光谱探测，获取全球整层大气密度、臭氧分布和气溶胶等微量成分的垂直结构及三维分布，观测数据将用于大气层相互作用、太阳活动与地球天气气候关系的研究，还将应用于大气臭氧、气溶胶等大气遥感。
多波段紫外临边成像光谱仪成像视场模拟图。(图片来源：中国科学院空间应用工程与技术中心)
三维成像微波高度计：国际首台三维宽刈幅成像高度计。应用于全球气候与环境变化监测、海洋动力学环境研究、热点海域环境信息获取以及海洋环境预报等。
三维成像微波高度计模拟图。
综合精密定轨:综合精密定轨系统将提供高精度的航天器轨道状态与时间信息，定轨精度有望达到厘米级。这些信息可服务于“天宫二号”上多项空间科学与技术试验，特别是三维成像微波高度计。
综合精密定轨模拟图。
综合材料实验：空间微重力条件下，与重力相关的对流、沉降等效应明显减弱，适合研究与此相关的材料形成和加工过程。“天宫二号”上将研究半导体光电子和功能晶体、金属合金及亚稳材料、纳米及复合材料的形成机理，在空间和地面改进材料质量，获得高性能材料的加工和合成技术。
综合材料实验炉。(图片来源：中国科学院)
液桥热毛细对流实验：“天宫二号”上将开展大普朗特数液桥毛细对流稳定性相关问题的研究，发现和认识在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展流体力学的应用领域。
液桥热毛细对流试验箱。(图片来源：中国科学院)
空间环境探测：“天宫二号”上搭载的带电粒子辐射探测器和轨道大气环境探测器可获取舱外各个方向粒子的强度和能谱，检测轨道大气密度、成分及其时空分布变化，并具备监测原子氧和其他空间环境污染效应的多项功能。
两名航天员在天宫二号上生活工作约一个月后，携带实验样品搭乘神舟十一号飞船返回地面。
致谢：
中科院上海生科院植物生理生态研究所
中科院上海技术物理研究所
中科院空间应用工程与技术中心(总体部)
