空间辐射生物学暴露实验装置如何实现“控温”？

在空间站梦天实验舱暴露平台，空间辐射生物学暴露实验装置（简称空间辐射生物学装置）处于太空冷黑背景和太阳光断续照射的极端低温和高温环境。为了支持植物种子和微小动物等生物实验样品的舱外暴露实验，给生物样品提供合适的温度以保证样品的存活，需要对装置进行热控设计。一起来了解吧。

自20世纪60年代人类首次进入太空以来，就在太空开展生物样品暴露实验，利用太空宇宙辐射、微重力、太阳全波段谱辐射和微流星体等极端环境来开展生命起源、生物进化、太空生物效应、微生物在太空的生存、生命的极限等研究。

2023年5月，中国研制的空间辐射生物学暴露实验装置搭载天舟六号货运飞船升空。该装置是中国空间站基础实验设施之一，安装于空间站梦天舱舱外暴露平台。

空间辐射生物学装置简介

一

作为我国首个舱外辐射生物学实验载荷，空间辐射生物学装置支持微小动物、微生物、植物种子和有机大分子等生物样品的暴露实验，可对微小动物进行培养控制，具有带电粒子、中子和太阳紫外线等空间环境监测和对生物样品成像观测功能。

按照功能，装置划分为4个子系统：中央控制子系统、样品观测子系统、样品生保子系统和辐射测量子系统。

中央控制子系统

中央控制子系统负责与空间站平台的通信，并为其他子系统提供电源、控制、数据收集和打包等服务；

样品观测子系统

样品观测子系统用于微小动物实验，可进行微小动物培养控制，在轨实时拍照和录制视频，并控制子系统内部环境温度；

样品生保子系统

样品生保子系统为植物种子、微生物和有机大分子等生物样品提供其所需的温度、气体和光照等环境条件；

辐射测量子系统

辐射测量子系统测量生物样品所处环境的带电粒子辐射、中子辐射和太阳紫外辐射，为实验提供实时就位测量的环境数据。

空间辐射生物学装置的热控需求

二

在舱外太空冷黑背景以及太阳光照持续变化的环境，如果没有较好的热控设计，暴露装置的温度可发生较大范围的高低温变化。

早期的生物暴露实验装置对热控设计要求不高，科学家们在总结前期实验基础上，对生物暴露实验装置提出了较多的改进建议措施，如在轨观测、环境控制和可研究活体生物响应的微流控芯片系统等，控制温度是其中的一个方面。通过控温，可以模拟特殊温度环境，控制生物样品活性状态，支持活体生物的暴露实验。

为了支持植物种子的长期暴露实验，中国空间站空间辐射生物学装置环境温度要求在5℃~20℃范围内。水稻种子和拟南芥种子长期温度环境实验表明，在5℃~20℃温度环境保存6个月，种子的存活和发育未发生显著变化。而为了开展线虫等微小活体动物的在轨培养暴露实验，空间辐射生物学装置微小动物环境对温度的要求更高，需提供线虫常规培养温度20±1℃。

空间辐射生物学装置热控设计

三

空间辐射生物学装置安装在空间站梦天舱暴露平台Ⅲ象限朝天面，与平台隔热安装。基于空间站轨道特征，在考虑生物样品环境温度需求和装置特性后开展热控设计，确定装置热控设计基本方案：通过辐射制冷将装置整体温度拉低到20℃以下，然后采用主动加热或制冷控温精确调整生物样品环境的温度。

1 如何将装置整体温度降低到20℃以下？

装置表面设置辐射制冷面和多层包覆

辐射制冷面用于把装置内部的热量散出去。辐射制冷面选取的位置与大小，考虑了装置安装位置周边情况，兼顾地影期与光照期，既要保证在光照期装置自身发热量可以顺利散热，又要保证在地影期装置自身发热量可以起到加热保温作用。

装置内部结构进行分区并优化布局

装置划分为电子学模块区和生物样品区，电子学模块靠近或接触辐射制冷面，便于散热，减少装置运行过程中电子学发热对生物样品的影响。

装置电子学主要集中在中央控制子系统、辐射测量子系统和样品观测子系统。中央控制子系统和辐射测量子系统分别在−X散热面和+Z散热面，并且把大功率发热器件如装置的电源模块、滤波器和通信模块等靠近机壳及辐射制冷面布置，同时设置器件与机壳直接连接的金属散热片，将它们的热量直接传递至机壳辐射制冷面。样品观测子系统通过导热块与−X辐射制冷面连接。

2 如何精确调整生物样品环境的温度？

装载生物样品的样品生保子系统和样品观测子系统，采用主动控温以满足实验需求。

样品生保子系统由3个相同的抽屉及其上的12个样品盒组成。生物样品安装在样品盒内。由于样品盒本身发热少，设计时首先减少装置其他部分热传导至样品盒，使样品盒温度低于20℃，并降低装置温度变化的生物样品环境的影响。

采取的设计措施有：抽屉与装置接触的导轨采用镂空设计以减少接触面积，样品盒与抽屉隔热安装，样品盒表面抛光处理。然后，为了避免样品盒温度过低，样品盒内部设置加热片，加热片的开关由中央控制子系统自动控制，当样品盒温度低于设定的低温阈值时，启动加热；当温度高于设定的高温阈值时，加热片停止加热，从而把样品盒的温度控制在5℃~20℃范围。

样品观测子系统为1个大抽屉，设置内胆和外胆，内胆和外胆之间用多层隔热薄膜和聚酰亚胺条进行隔热。外胆上导轨与装置接触；内胆包裹多层包覆，通过导热块散热至装置的−X向辐射制冷面。子系统各模块都在内胆内，包含装载微小动物的微流控芯片、显微相机、通信电路等以实现微小动物的培养控制、拍照和录视频。内胆设置加热片和半导体制冷器，控制微小动物样品环境温度。当环境温度高于20℃时，半导体制冷器工作，加热片不工作，内胆中产生的热量通过半导体制冷器的输运传递到后面板导热块上；当环境温度低于19℃时，半导体制冷器不工作，加热片工作，加热片产生的热量维持子系统环境温度。

看完以上介绍，你是否对空间辐射生物学装置的热控设计有了更加深入的了解？期待空间辐射生物学暴露实验取得更多新成果。

参考文献

[1]张斌全,林强,童广辉,等.空间辐射生物学暴露实验装置热控设计及结果[J].宇航学报,2024,45(11):1849-1856.

编辑/吴馥桐

本文转载自公众微信号：中国载人航天

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