天宫二号钟密钥植物,开启太空处女

2022/12/3 来源：不详

浙江24小时-钱江晚报记者章咪佳

按照我国载人航天工程“三步走”发展战略规划，我国载人航天工程已进入空间站阶段。

刚刚发射成功的天宫二号，就是这个阶段中非常重要的一步——它是真正意义上的空间实验室，这标志着我国的载人航天进入应用发展新阶段。

天宫二号上的载荷“量子密钥分配”设备

空间实验室，就是建造在太空中的实验室。

这种特殊的实验室需要先发射无人空间实验室，然后再用运载火箭将载人飞船送入太空，与停留在轨道上的无人空间实验室交会对接，接下来，航天员从飞船中进入空间实验室，开展工作，完成工作后再乘飞船返回地球。

天宫二号上要进行的各类实验，是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。

内容涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等，多个领域。其中，有两项需要航天员直接参与操作，有一项是国际合作联合研究的项目。

年，在天宫二号发射前，钱报记者曾独家对话了天宫二号副总设计师吕从民，以及钟红恩博士，揭秘其中几项高端、有趣又和人类紧密相关的实验。

从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置，到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表，再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……在文明进步和科学技术发展的历史长河中，人类活动所带来的社会需求与时间测量的精确程度是密不可分的。

全球第一台上天的冷原子钟

地球上最准的钟表，精度高的大约每年会有1分钟（大约在0.16秒/天）的误差。

天宫二号副总设计师吕从民告诉钱报记者：“原子钟是科学家们利用原子超精细结构的跃迁能级，具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出的比晶体钟更高精度的计时装置。”

天宫二号空间冷原子钟功能结构与工作原理

“自从有了原子钟，人类计时的精度，以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展，20世纪末达到了10－14量级，即误差约为百亿分之一秒/天。”

“在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国的GPS、中国的北斗），覆盖了地球98%的表面，将原子钟的信号广泛地应用到了人类活动的各个领域。”

但是在地面上，由于受到重力的作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，这使得基于原子量子态精密测量的原子钟，在时间和空间两个维度受到一定限制。而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，空间冷原子钟是目前空间最高精度的原子钟。

空间冷原子钟

中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，研制的“空间冷原子钟”实验样机，搭载了天宫二号发射升空，它成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，相当于万年误差不超过1秒，在国防安全、高精度星钟等方面具有广泛的应用价值。

钟红恩向记者透露，中国的空间原子钟重80公斤左右，是非常小型的一台冷原子钟，集成度相当高。

全球首次天地传输量子密钥

从字母到阴阳符，从摩斯密码到二进制密钥，再到基于量子力学测量原理的量子密钥分配……自人类使用语言以来，通过密钥给信息加密的技术就伴随着人类对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用，就是用来对传输的信息进行加密，防止他人获取信息内容。

天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”，就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。

为了更远距离的量子保密通信，除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。

天宫二号的轨道飞行高度大约为多公里，飞行速度约每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子，需要精准地打在地面站的望远镜上。

这精准程度，就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里。

钟红恩解释，光量子的物理特性，决定了这种传输方式的绝对安全。单光子不可被分割、测量，如果在天上光子打向地面的过程中，密钥被劫了，那么地面上就会察觉状态异样，这会让接收方及时警惕：情报已被窃取。

同时，量子态不可复制。处于量子态的粒子，一旦被复制，原来的粒子也就毁了。这保证了信息不可被窃听。

“量子通信方式，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”所以，这只是“一把”很酷的钥匙：你知我知、天知地知的秘密钥匙。

首个植物生长全周期实验

电影《火星救援》中，主人公孤身一人克服重重困难，通过在火星基地种植土豆的方法补给自身，从而实现重回地球。

在现实中，加强太空环境中植物生长发育研究，突破空间生命生态保障系统的技术瓶颈，构建人类地外长期生存的新天地，人类跨越天疆的梦想一定会在不远的将来成为现实。

我国在航天和空间领域的发展，为空间生命科学研究提供了前所未有的机会。如何建立以绿色高等植物为基础的空间密闭生态循环系统，为航天员长期的空间生活提供补给？这是一个浩大的综合工程。

为了探索太空闭环生态系统技术，天宫二号将进行一项“从种子到种子”的植物全生育发展过程实验，探索太空种粮食的可能性。

天宫二号中的实验，根据地球上高等植物受光周期诱导的两种典型的反应途径（长日和短日诱导开花途径），以及关键的开花基因的作用机理，选择了长日照植物拟南芥和短日照植物水稻为研究对象。

拟南芥，又名鼠耳芥、阿拉伯芥，为十字花科植物，长期以来作为分子生物学和传统遗传学研究的模式实验材料，素来有“植物界的果蝇”之称

通过实时成像技术，观察微重力条件下拟南芥和水稻种子萌发、幼苗生长和开花发育全过程。同时，特别构建了绿色荧光蛋白标记开花基因的拟南芥植株，将通过实时荧光图像技术，在分子水平检测开花基因在微重力情况下的表达动态。

这些研究为解析微重力条件下高等植物形态建成，以及从种子萌发、营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新的知识，对植物栽培和品种选育等都具有重要意义。