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【独家】简智仪器带你解读中国空间站太空拉曼光谱仪

发布时间:2021-05-10
编者按:
       随着“天和”核心舱的成功发射,我国载人航天已全面迈入空间站时代。预计2022 年前后,中国载人空间站将完成建造,并开展大规模多学科的空间科学研究、技术验证和空间应用。为面向全国科学家征集空间站科研项目,中国载人航天工程办公室在2019年4月向科学界发布了《中国空间站空间科学实验资源手册》(以下简称《空间站实验手册》),其中,太空拉曼光谱仪也赫然在列,这是我国载人航天首次在空间站科学研究中引入拉曼光谱技术,看点满满。今天,简智仪器就带你进行独家解读。

一. 空间站实验室简介

什么是中国空间站实验室?
       在2021年4月29日天和成功发射入轨之前,全人类在地球近地轨道正在运营的仅有一个国际空间站。国际空间站由16个国家共同建设,于2010年完成建造任务转入全面使用阶段。现如今,国际空间站已正式运营11年,接近设计寿命,很可能将于2024年彻底停运。也就是说,在2024年之后,人类唯一的太空空间站将是中国空间站。
本次发射的“天和核心舱”只是中国空间站的一部分,未来一两年内还将陆续发射“问天”,“巡天”两个实验舱,并在太空“组装”成完整的中国空间站。

       中国空间站运行于倾角41~42 度、轨道高度340~450 千米的近圆低地球轨道,约90 分钟绕地球一圈。 目前空间站实验室共规划安排了11 个空间科学与应用研究方向,包括航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、航天元器件与部件、航天新技术、空间应用新技术等方向。


为什么要在太空中开展科学实验?
太空实验室由于其特殊的物理环境,具备地面实验室无法拥有的特殊实验条件,包括:
1) 微重力环境
       在微重力水平下(残余微振动加速度10^-3~10^-4g),流体形态和物理(化学)过程等发生显著变化,影响或改变流动和燃烧机制,也影响到相关的材料加工及制备过程;微重力还会对一些基础物理的实验条件产生影响,能够以更高的指标和精度开展实验。此外,微重力环境对一直生在重力圈内的生物体及其各层次的影响也十分显著。因此,微重力环境是开展相关科学研究独特而宝贵的资源。
2) 在轨观测
       由于空间站所处的近地轨道位置,使得其对地观测区域可以覆盖南北纬42 度以内、地球人口居住90%的区域。又因为其完全脱离了地球大气,处于地球电离层F2 层,适于开展空间天文观测和特定空间物理研究。
3) 辐射环境
       宇宙射线的主要成分是质子(约占90%)、氦核即α粒子(约9%)以及电子、各种重离子、伽马射线等(约1%)。宇宙射线复杂的成份和能谱形式是地面无法模拟的,是开展辐射生物学,探索生命起源等研究的有利条件,也是开展高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件。
4) 极端环境

      空间站可利用外太空极端条件在舱外开展实验,包括极热和极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。这些特殊环境(及其复合环境)在地面很难模拟。


中国空间站实验资源有哪些?
中国空间站设计实验资源分三大类:
a. 舱内科学实验装置
      主要在密封舱内进行各种科学实验。目前在核心舱和两个实验舱中,已安排了十余个科学实验柜,数十台各类科研仪器单元,拉曼光谱仪也在其中。由于大多数的在轨科研实验需要科研人员进行必要的操作,因此都是在密封舱内进行的。
b. 舱外暴露实验装置
      此类装置安装在舱外,实验样品或实验单元在进行舱外暴露实验后,可由机械臂抓取,通过气闸舱进入密封舱内。目前实验舱I和实验舱II设计有共计3个舱外暴露实验装置(空间生物学暴露实验,材料舱外暴露,元器件与组件舱外暴露)。
c. 舱外独立载荷

      舱外独立载荷通过机械臂安装于舱外暴露平台或载荷挂点上,采用适配器进行机械连接,并提供机械、电源、信息、热控接口,可独立在舱外工作。其中,标准实验载荷可安装于两个实验舱外的暴露平台上,空间站为其提供100V最高1000W的供电接口和信息传输接口(1553B和FC-AE-1553 总线)。而对于大型的非标大型载荷,核心舱和实验舱I 舱体外设置了大型载荷挂点和扩展实验平台挂点,支持在轨安装重达共计2500KG的大型挂接载荷和扩展实验平台。


二. 拉曼光谱技术在载人航天领域的应用

       根据中国载人航天办公室已公开的信息,太空拉曼光谱分析仪被安装于“人系统研究机柜”中,用于航天医学方向科学研究。其主要研究方向包括:长期失重对航天员健康的影响与防护技术研究、空间辐射对航天员健康的影响与防护技术研究、航天员行为与能力研究、在轨监测与医学处置技术研究以及传统医学航天应用技术研究。


(上图摘自《中国空间站空间科学实验资源手册》 p.14 图5.1)
       其中,太空拉曼光谱仪主要负责“基于拉曼光谱分析的在轨营养代谢组学研究”,根据《空间站实验手册》中公开信息描述,拉曼光谱技术将用于“检测人体尿液中的代谢产物水平”,其核心指标为“太空拉曼光谱仪增敏倍数(与比色皿相比)≥40 倍” (见《空间站实验手册》p.15 表5.1)

        根据已公开的信息,相信从事拉曼光谱工作研究的小伙伴们已经好奇心爆棚了,下面简智仪器就几个同行比较关心的问题带大家一一解读。


为什么是在轨营养代谢组学研究?
       拉曼光谱近几年获得了非常迅速的发展,其无损、准确、快速、不受水影响等诸多优势使得其应用领域涵盖材料,生物,矿物,理化分析等诸多行业。相对而言,拉曼技术在尿液中代谢物分析研究上,显得比较冷门。拉曼技术首次应用到空间站研究中,为什么会选择这样一个研究方向一定是很多人感到疑惑的。
简智解读
       首先,太空实验环境与地面实验环境截然不同,其关注重点,适用技术手段也有很大的差别。我国此前并未有过航天员长期在空间站生活的经验,而此次中国空间站中,航天员将生活超过90天,微重力环境对航天员生理系统影响的研究就显得非常重要了。因此在《空间站实验手册》中,“人系统研究机柜”被编为01号研究柜,也是首批随天和核心舱发射升空的研究机柜。并且根据功能描述,其兼具研究和监测功能,使用周期将贯穿整个空间站的运行周期。

        其次,从研究手段来讲,地面环境中对尿液中代谢组分的测量有非常成熟的方法,如采用GC、GC/MS等方法进行分析研究已经非常成熟。但空间站环境截然不同。由于空间站的微重力,全密封环境,使得很多仪器无法正常工作,并且实验环境也无法保证,例如微重力环境下的液液混合操作,不仅很难进行而且有很大的风险,更不要说实验处理过程中用到的挥发性液体在空间站密闭环境中产生的危害。这样一来,更适合进行原位无损测量的拉曼光谱技术反而成为了非常适合的选择。


增敏倍数(与比色皿相比)≥40 倍
       《空间站实验手册》中关于太空拉曼光谱仪的核心性能指标只有这样一条,为什么增敏倍数如此重要?而近几年飞速发展的SERS表面增强拉曼技术,已经可以做到比较稳定的106以上倍数的增敏,这里的40倍又是怎样的指标?
简智解读
       前面已经提到了在空间站实验环境的特殊性,因此基于溶胶液液混合,或芯片式的SERS增敏方式就不太适用了。另外,太空中也缺乏做复杂前处理的条件,因此无法采用在地面环境中常见的尿液代谢物检测的技术手段。
       如果不使用SERS增敏,那么要对拉曼信号进行增强,综合近年来多种文献,方法包括相干拉曼,差分拉曼,夜芯波导拉曼,共振拉曼等几种。这些增敏方式的增敏效果都不可能和SERS方法相比,因此不能以SERS增敏效果指标来看待。其中,相干拉曼和共振拉曼更适于进行单组分测定,不太适用于多组分测定。而根据“在轨营养代谢组学研究”的要求,不可避免的会涉及到定量测量,因此其增敏效果不仅需好,还需要稳定。这样看来,差分拉曼技术和夜芯波导拉曼技术就是最可能使用的技术了。

       另外,由于保密要求,《空间站实验手册》中也只会公布个别核心指标,在实际要求中,对于交付产品的各项性能指标应该都有非常详尽的设定。


拉曼光谱技术在空间站将来是否会拓展更多的研究方向
      根据本次公布的《空间站实验手册》中公开的内容,目前太空拉曼光谱仪仅用于“在轨营养代谢组学研究”,对于拉曼技术而言,似乎可以有更多的研究方向。
简智解读
        这是当然的!载人航天办公室发布《空间站实验资源手册》的目的,就是向科学界征集有价值的研究方向和实验项目,相当于告诉全国的科学家,我们建立了一个独一无二的实验室,里面有这么多实验仪器资源,你们有好的研究课题都可以来申请进行研究。

        同时我们通过已发布的信息可以看到,本次太空拉曼光谱仪设计采用“标准抽屉单元SDU”设计。SDU标准模块对实验单元的结构尺寸,安装方式,电源特性,通讯接口等方面都做了标准化约定,这使得采用SDU设计的实验单元,可以被很容易的拆装到其他实验机柜上,自然是为了拓展其他领域的实验项目做的准备。


(上图摘自《中国空间站空间科学实验资源手册》 p.8)

      同时,由于空间站将运行超过十年的时间,为了保证在轨仪器设备可以保持最佳的工作状态并应用最新的技术成果,空间站仪器大多会采用ORU设计(Orbital Replacement Unit),使得其核心组件做到可在轨更换。这样,在未来如果相应技术获得一些突破或者指标的显著提升时,可以通过货运飞船发送ORU组件,并在空间站内实现仪器的升级更新。当然,采用SDU设计的实验单元本身也可以进行整体更换或新增。


空间站仪器研制难点
        一直以来,产品都有“民用级”,“工业级”,“军工级”,和“航天级”几种研制难度划分。其中前三种大家都比较熟悉,而“航天级”作为碾压前三类的存在,到底有哪些研制难点?
简智解读
       所有的产品“级别”都是根据其应用场景来定义的。航天级产品研制主要难点包括以下几点:
1. 微重力环境设计要求
       在所有应用场景中,只有航天级产品会对“微重力”有要求。在这样的环境下,很多传统的设计工艺都会被颠覆。而且更难的是,这样的环境还无法进行事前模拟。宇航员可以通过潜水装置在水下模拟失重状态下的身体运动,但对于仪器设备而言,每个部件长期所处的微重力环境是无法在地面模拟的。这就要求设计者具有极强的推导设计能力和丰富的经验。
2. 极端机械环境适应性要求
       航天产品在发射过程中需要经历极端的加速度和震动情况,在输运过程中会经历极端低温。对于航天级光学仪器,特别是拉曼光谱仪这种精密仪器,甚至每一处光路耦合设计,每一个元件在极端环境下可能产生的形变,都需要反复推敲和大量实验。
3. 太空特殊的辐照环境
       空间站运行在维度±42°范围的低地球轨道,尽管由于地球磁场的作用,使低能带电粒子向极区偏转,只有较高能量的带电粒子(约1GeV/n 以上)才能到达,降低了总辐射剂量,但由于空间站穿过地球内辐射带的南大西洋异常区下部,辐射带捕获的带电粒子对空间站有显著
       影响,并且太阳质子事件具有一定随机性,会在短时间内显著增加辐射剂量。高能粒子仍能穿透具有一定防护能力的舱壁(辐射剂量降低1-2个数量级),对仪器和宇航员造成伤害。因此宇航员一次在空间站停留在90天左右。而仪器设备则需要长期在空间站运行,辐射伤害必须加以考量。
4. 环境安全性及损害控制
       空间站是一个完全密闭的环境,而且没有逃生装置。因此对其中运行的仪器设备,有非常严格的安全性要求,包括温度、噪音、电磁辐射、电源冲击等诸多方面。并且即使在发生故障时,也不能产生自燃、泄露、或者危害到空间站整体电源、通讯的情况。
5. 超长的使用寿命和可靠性

      中国空间站设计寿命10年,根据国际空间站的经验,在实际运行过程中还会适当延长,其中的在轨仪器设备寿命要求都不会低于10年。由于设备在空间站维修和更换成本非常高,因此在研制过程中,对于可靠性有非常严苛的要求和测试方法规范。


太空拉曼光谱仪研制难点
      拉曼光谱仪目前已经非常普及,从各科研实验室,到公安,市场监督一线,甚至考古,珠宝鉴定等各行各业,都能越来越多的见到拉曼光谱仪的身影。而本次太空拉曼光谱仪,从已公布的信息看,似乎进行了特殊设计,除了上面提到的空间站仪器通用要求之外,太空拉曼光谱仪与常用的普通拉曼仪到底有多大区别?
简智解读
      由于部分信息涉及国家安全和航天机密,本次《空间站实验手册》中公布信息中只涉及“人体尿液中的代谢产物水平”的测量和“增敏≥40倍”,那么就以这一应用为例,在太空中实现也是困难重重的。
根据公布的信息可以看出,本次的太空拉曼光谱仪与其说是一个仪器,不如说是一整套的应用系统。
       在拉曼本身技术层面,需要考虑到空间站特殊环境下,各光学性能指标的实现,测量一致性保障,以及长寿命运行下的累计误差校正等等方面。单就增敏倍数≥40一项指标,在地面实现已具有相当难度,由于普通拉曼光谱仪对尿液无法进行直接测量,因此本次的太空拉曼光谱仪自身各项光学性能一定是顶级的( 《手册》中并未公布其他光学指标 ),在此基础之上,不改变测试条件的情况下还要再实现40倍以上的信号增强,难度可想而知。
       从应用技术上看,尿液测量中必然涉及如何进液,容器清洗,废液处理等,而这些都要可以在航天员不干涉的情况下全自动完成。被测液中混有的气泡也会对测量产生很大的影响,而在微重力环境下的气液分离也是一大难点。更不要说前面所述的航天级产品严苛的各种通用要求。

       以上这些都需要长期的潜心攻关和过硬的技术积累才可能实现,也绝不是市面上普通的拉曼光谱仪可相提并论的。


三. 展望
       4 月 29 日,空间站天和核心舱发射成功。这是中国空间站建造阶段的首次发射,也是举世瞩目的"第一棒"。建成后的中国空间站将成为国家级太空实验室,全面开启我国空间科学研究与应用的新时代,也会为全球科学家提供一个非常好的从事空间科学研究的平台,为人类的科学进步作出贡献。
拉曼光谱技术首次被应用在载人航天领域,成为空间站实验室的“标配常驻仪器”,代表我国精密光学仪器研制技术在载人航天领域的一次突破,相信随着中国空间站的建成,还会有更多的各种精密光学仪器陆续入驻空间站,也将会诞生一大批突破性的科研成果,让我们拭目以待。
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