科学家们要把实验室搬上太空了!

来源:科普中国发布时间:2019-07-18

当前,中国载人航天工程全面迈进“空间站时代”,正在全力进行空间站研制建设。

  在第四个中国航天日当天,据央视新闻报道,中国载人航天工程办公室传来了令人振奋的消息: 

  当前,我国载人航天工程全面迈进“空间站时代”,正在全力进行空间站研制建设。2022年前后,中国空间站天宫将正式完成在轨建造任务,成为长期有人照料的国家级太空实验室,支持开展大规模、多学科交叉的空间科学实验。 


中国空间站“天宫”(图片来源:中国载人航天工程办公室) 

  中国空间站规划了密封舱内的空间实验柜、舱外暴露实验平台以及共轨飞行的巡天光学舱,支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。 

  特殊的微重力环境 

  一提到太空,大家就会浮现出航天员在空间站中飘来飘去的样子,好像完全脱离了重力的限制,不过,这个时候在太空舱内可不是零重力噢,空间站中此刻是属于微重力状态。 

  什么是微重力呢? 

  按照“微重力”术语的英文“Microgravity”的原意,它是指该环境中的重力水平为地球表面处重力的百万分之一,目前也有许多广义的理解,把微重力理解为微小重力(或者说“低重力”),此时低重力的值通常为地面重力的万分之一。 

  那么,微重力条件如何形成的呢? 



图片来源:作者自制 

  微重力环境下,地球上常见的物理现象会有什么不可思议的变化呢? 

水变成了水珠 可以当乒乓球打 

  (图片来源:http://www.sohu.com/a/217990314_269042) 

你要是一哭眼泪就挂在脸上 

  (图片来源:http://www.sohu.com/a/217990314_269042 

喝水变成吃水珠 

  (图片来源:https://www.bilibili.com/read/cv158556/) 

  这种现象就是物理学中所指的空间微重力物理效应。 

  空间微重力物理效应泛指在空间微重力环境中不同于重力环境下基本物理效应,主要包括液体和气体由重力导致的自然对流基本消除、液体中浮力消失、由于物质密度不同引起的沉浮和分层现象也消失等现象。 

  那么,在这么特殊的微重力环境下能够开展一些什么样的科学研究呢? 

  微重力条件下的流体 

  微重力流体物理研究微重力下流体(液体、气体及其多相混合物)的流动、形态、相变的规律和机理。在微重力下重力引起的浮力对流、密度分层、沉降、流体内部静压及压力梯度等效应基本消失,而一些次级效应凸显,流态和热质输运表现出新特点。 

  微重力流体物理研究的内容包括界面现象、多相流、复杂流体等。这一领域的研究对发展先进的空间流体管理、热管理等航天技术有十分重要的作用,其研究成果对改进地面石油、化工、制造等产业的生产过程将做出积极贡献。 

  空间流体物理的主要研究内容包括微重力流体动力学、两相流、相变传热及其应用研究、复杂流体等。 

  举个例子,我国天宫二号搭载的液桥液毛细对流实验,对空间环境流体的流动和耗散机理的基础研究,对人类认识和掌握空间流体的运动规律有重要意义。 

图:在天宫2号上生成的大尺寸液桥(图片来源:中国科学院空间应用工程与技术中心) 

  微重力条件下的材料制备 

  不止是流体,材料科学在太空中也大有可为。 

  在微重力条件下,基于地面材料制备的对流控制、扩散机制、凝固过程和缺陷形成等不再适用。探索微重力条件下的材料制备过程能够深入理解相应物理规律,发现新的科学问题,研制出地面难以制备的新材料。 

  微重力条件还便于实现样品悬浮的无容器加工,为创造极端热力学非平衡条件下的材料研究和准确的材料热物性测量提供了有利条件。微重力下可以研究金属、非金属和复合材料等几乎所有材料,包括晶体、半导体、超导、磁性、记忆、热电等各种功能材料,金属合金、泡沫多孔和复合材料,以及陶瓷、玻璃等结构材料。 

  材料是国民经济的基石,新材料是所有高技术和高端制造业的基础。空间材料科学是深入开展材料科学研究的独特途径,可能获得地面难以生产的先进材料和地面难以精确测量的重要参数,发展材料科学技术,为我国建立新的材料产业体系做出贡献。 

  空间材料科学领域包括两个主要研究方向,一是在排除重力影响下研究材料的制备过程规律及材料的结构和性能变化,二是空间应用材料在高能粒子和紫外辐照、原子氧侵蚀、高低温交变循环等空间环境下的使役行为。 

  主要研究内容有生长(凝固)界面稳定性与缺陷控制,过冷、形核与晶体生长过程,相分离与聚集行为,高性能材料空间制备及工艺研究、熔体物理性质测量与研究、材料在空间环境下的行为特性等。 

  空间微重力资源是一种极其有用但在地球上不可获得的稀缺资源,我国空间站发射升空之后,在太空环境中利用微重力条件进行各项科学研究将为我国各领域科研与应用做出重大贡献。 


中国空间站密封舱内的空间实验柜(图片来源:中国载人航天工程办公室)


中国空间站舱外暴露实验平台(图片来源:中国载人航天工程办公室) 

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