“實(shí)踐十號(hào)”：微重力實(shí)驗(yàn)?zāi)切┦聝?/h1>
2016-05-14 19:48:54陳飛
中國(guó)新聞周刊 2016年15期
陳飛
在極端物理?xiàng)l件下，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理化學(xué)過程、生命過程等都可能會(huì)發(fā)生變化，這就意味著微重力實(shí)驗(yàn)有實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破的可能。
人類要走向太空，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化
4月18日下午，“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的回收艙降落在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)。在12天的太空旅途之后，這枚中國(guó)首顆專用的微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的使命告一段落。
“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星總重3.3噸，使用化學(xué)電池供電，搭載了19項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是迄今為止單次微重力和空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及種類最多的衛(wèi)星任務(wù)。其中8項(xiàng)在留軌艙進(jìn)行，11項(xiàng)在回收艙進(jìn)行。
顧名思義，“微重力”即是“接近于無”的重力，也就是一般人所說的“失重”。但由于移動(dòng)物體的加速度和高空大氣的阻力，在空間站上符合實(shí)驗(yàn)要求的微重力環(huán)境是很難達(dá)到的。與空間站相比，衛(wèi)星任務(wù)時(shí)間相對(duì)短，不需要考慮對(duì)接和人類活動(dòng)等干擾；又因?yàn)槭褂没瘜W(xué)電池，所以不需要展開太陽(yáng)翼，不會(huì)受到額外的阻力。這些條件使“實(shí)踐十號(hào)”在最好的情況下可以達(dá)到10-6g的微重力水平。
6000余枚小鼠胚胎 “上天”
微重力衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)好處是機(jī)動(dòng)性高。“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說：“比如，這次要進(jìn)行的胚胎實(shí)驗(yàn)可以在發(fā)射前8小時(shí)才裝到衛(wèi)星上，縮短在地面停留的時(shí)間，如果搭載在載人飛船上不可能做到了。而且返回式科學(xué)衛(wèi)星在實(shí)驗(yàn)完成后就可以及時(shí)回收，這也是空間站做不到的。”
胡文瑞提到的這項(xiàng)胚胎實(shí)驗(yàn)名為“微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究”，6000余枚小鼠早期胚胎被帶上太空，觀察它們的發(fā)育狀況。中科院動(dòng)物研究所胚胎生物學(xué)研究組組長(zhǎng)段恩奎是這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。
實(shí)際上，早在2006年，中國(guó)的“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星上就搭載了段恩奎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的小鼠胚胎發(fā)育實(shí)驗(yàn)。他說：“當(dāng)時(shí)有兩個(gè)目標(biāo)，一是建立一套太空的胚胎成像系統(tǒng)，爭(zhēng)取看到胚胎在天上的情況；二是爭(zhēng)取讓小鼠胚胎在太空中發(fā)育。結(jié)果第二個(gè)目標(biāo)沒實(shí)現(xiàn)。那個(gè)時(shí)候胚胎是發(fā)射前32小時(shí)放到衛(wèi)星上的，胚胎還沒上天就已經(jīng)開始發(fā)育了?！?/p>
實(shí)驗(yàn)失敗后，十年間，他的團(tuán)隊(duì)又用了幾萬枚胚胎做了上百次實(shí)驗(yàn)，尋求改進(jìn)方法?！白雠咛グl(fā)育實(shí)驗(yàn)，需要一個(gè)二氧化碳培養(yǎng)箱，還要有一個(gè)鋼瓶用來通氣，要保溫保濕，并且還要用顯微鏡去觀察?！倍味骺榻B。但是這一整套設(shè)備在太空環(huán)境中要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還要體積合適，不是一件容易的事。段恩奎團(tuán)隊(duì)與西北農(nóng)林科技大學(xué)教授馬保華合作研發(fā)了胚胎密閉培養(yǎng)體系，研制了適用于太空胚胎培養(yǎng)的特殊培養(yǎng)液。中科院上海技術(shù)物理所則把這個(gè)“實(shí)驗(yàn)室”壓縮成了一個(gè)17公斤重、類似家用微波爐大小的培養(yǎng)箱和一個(gè)電控箱，且使其具有密閉培養(yǎng)、自動(dòng)搜索識(shí)別顯微成像、遙控固定、圖像下傳等功能。
衛(wèi)星上天十幾小時(shí)后，從傳回的顯微影像上，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎細(xì)胞分裂的跡象。2細(xì)胞到4細(xì)胞，再到8細(xì)胞、16細(xì)胞。到60小時(shí)左右，有些已經(jīng)發(fā)育成囊胚。在此之前，國(guó)內(nèi)外尚未有過在微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育成功的報(bào)道。中國(guó)在世界上第一次證明了哺乳動(dòng)物早期胚胎在太空微重力條件下可以發(fā)育到囊胚階段。
除了用于發(fā)育研究，實(shí)驗(yàn)中還有一部分胚胎不會(huì)分裂，而是固定在某一階段隨返回艙回到地球，用于分析太空環(huán)境對(duì)胚胎發(fā)育的影響。至于那些發(fā)育成囊胚的胚胎，因?yàn)椴荒芗皶r(shí)在母體子宮著床就會(huì)死亡，所以這些小鼠胚胎無法回到地球繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育。我們也無從知道，暴露在各種輻射中成長(zhǎng)的“太空嬰兒”是什么模樣。不過，人類在理解太空中生命如何繁衍生息的問題上又前進(jìn)了一小步。
在天上“燒煤球”有意思嗎
被“實(shí)踐十號(hào)”帶入太空的，除了小鼠胚胎，還有植物、家蠶和人體干細(xì)胞。它們涉及的科學(xué)實(shí)驗(yàn)也許會(huì)更快地對(duì)人類生活產(chǎn)生影響。畢竟，“太空育種”早已不是新鮮事。中國(guó)航天一直對(duì)航天育種情有獨(dú)鐘，共有70多種植物的1000多個(gè)品種的種子進(jìn)行了太空育種試驗(yàn)，此前還曾發(fā)射一顆專門的返回式衛(wèi)星用于育種。而“實(shí)踐十號(hào)”科學(xué)衛(wèi)星上進(jìn)行的是高等植物培育的研究。
在長(zhǎng)期的太空任務(wù)中，物資供應(yīng)都指望地面補(bǔ)給是不現(xiàn)實(shí)的?！皩?shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行的水稻和擬南芥微重力光照生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，就是為了解決這一問題。將來，種土豆不算什么，也許宇航員連米飯、面條都可以自給自足了。
而微重力條件下造血和神經(jīng)干細(xì)胞的研究，有助于我們了解干細(xì)胞是如何增殖和定向分化的，這可能會(huì)讓治愈白血病和老年癡呆等疾病不再是難題。干細(xì)胞是一類具有分化和自我更新能力的母細(xì)胞，神經(jīng)干細(xì)胞可以變成神經(jīng)元或是膠質(zhì)細(xì)胞，而造血干細(xì)胞能夠分化成各種血細(xì)胞。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所再生醫(yī)學(xué)研究中心主任戴建武說，“目前這些細(xì)胞在太空的生長(zhǎng)情況良好，等回收后我們會(huì)分析它們的蛋白質(zhì)表達(dá)、基因表達(dá)情況?！?/p>
除了干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，空間技術(shù)其實(shí)早就在就在醫(yī)療健康領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。人造心臟、腎透析技術(shù)，無不是空間技術(shù)的杰作。用于測(cè)量脈搏和其他身體狀況的非侵入式傳感器，也是由監(jiān)測(cè)宇航員用的類似設(shè)備直接派生而來的。美國(guó)國(guó)家航空航天局還研制了新型滾筒式生物反應(yīng)器供研究使用，它能夠在人體外培養(yǎng)組織細(xì)胞，如心臟組織、骨組織、韌帶等。許多細(xì)胞和組織，必須有一個(gè)穩(wěn)定的表面或其他結(jié)構(gòu)支撐以幫助其成長(zhǎng)，而這種生物反應(yīng)器中和了地心引力，所以細(xì)胞能夠像在身體里一樣生長(zhǎng)。
胡文瑞說：“在極端物理?xiàng)l件下，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理化學(xué)過程、生命過程等都可能會(huì)發(fā)生變化，這就意味著微重力實(shí)驗(yàn)有實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破的可能?！比祟愐呦蛱?，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化。
中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室研究員趙建福就在研究太空中的沸騰有什么不同。他負(fù)責(zé)的項(xiàng)目是“微重力沸騰過程中的汽泡熱動(dòng)力學(xué)特征研究”，實(shí)驗(yàn)過程相當(dāng)于在太空中“燒開水”，只不過使用的液體沸點(diǎn)比水低得多。
在地面重力條件下，被加熱的液體內(nèi)部一旦產(chǎn)生氣泡就會(huì)在浮力作用下離開加熱面。而在“實(shí)踐十號(hào)”傳回的影像中可以看到，在微重力條件下，氣泡像荷葉上的露珠一樣，在加熱面上抖動(dòng)，并且不斷長(zhǎng)大。“這樣一來，氣泡在時(shí)間和空間上都有一個(gè)更大的尺度，方便我們研究氣泡的運(yùn)動(dòng)特征和它周圍局部的傳熱特性?！壁w建福說，“沸騰不只是生活中燒個(gè)開水、蒸個(gè)饅頭，在工業(yè)上也是一種很高效的傳熱方式，所以受到了廣泛關(guān)注。”
與此相似的是，在微重力環(huán)境下，蛋白質(zhì)可以生長(zhǎng)出很大的晶體，可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。如果應(yīng)用到制藥上，每分析成功一種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)就會(huì)生產(chǎn)出一個(gè)新產(chǎn)品。美國(guó)用于開發(fā)一種新藥的研發(fā)費(fèi)用一般在5億到10億美元，平均耗時(shí)5年左右。空間環(huán)境下研究蛋白質(zhì)無疑會(huì)大大提高效率和質(zhì)量，其成果可能用來改變?nèi)祟惤】禒顩r，解決食品、醫(yī)藥等問題，提高人的生存質(zhì)量。
實(shí)際上，人類在近半個(gè)世紀(jì)的空間活動(dòng)中獲得了大量的科學(xué)成果，其中有些已經(jīng)用于改善人類生活。以聚氨酯材料制成的“記憶泡沫”床墊、最初在太空實(shí)驗(yàn)室使用的火災(zāi)警報(bào)器，和原在航天飛機(jī)上使用的輕型隔熱膜，都是觸手可及的例子。
“實(shí)踐十號(hào)”上開展的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)也許會(huì)帶來下一個(gè)直接改變?nèi)藗兩畹募夹g(shù)，例如，可能讓我們告別霧霾。微重力環(huán)境下的燃燒研究可以加深我們對(duì)燃燒現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。美國(guó)空間站十大成果之一，就是通過棉花團(tuán)點(diǎn)燃觀察到“冷焰燃燒”，這一低溫狀態(tài)下的燃燒是地面上無法看到的。胡文瑞介紹，此次“煤燃燒及其污染物生成實(shí)驗(yàn)”也期待看到微重力條件下煤的“冷焰燃燒”實(shí)驗(yàn)效果。
該實(shí)驗(yàn)選擇兩到三種我國(guó)典型煤種，在實(shí)驗(yàn)裝置中點(diǎn)燃，觀測(cè)不同爐溫、不同環(huán)境氣體成分條件下的單個(gè)球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒過程，記錄下火焰形狀、揮發(fā)和釋放現(xiàn)象及其變化規(guī)律等。
煤炭是我國(guó)能源的主力，高效燃燒和降低污染物是未來對(duì)燃燒技術(shù)的必然要求。構(gòu)建煤炭的燃燒模型需要準(zhǔn)確的參數(shù)，但地面研究時(shí)面對(duì)重力和浮力對(duì)流的干擾，有些參數(shù)幾乎不可能準(zhǔn)確測(cè)量，影響了對(duì)煤炭燃燒機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)。
“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師康琦說：“在微重力環(huán)境下進(jìn)行煤燃燒實(shí)驗(yàn)，可以避免浮力、熱對(duì)流等因素干擾，有望獲得一些地面無法得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)幫助人類更好利用煤炭資源有重要意義。”
猜你喜歡
干細(xì)胞：“小細(xì)胞”造就“大健康”今日農(nóng)業(yè)(2022年13期)2022-09-15 01:21:20 上太空，安個(gè)“家”家教世界·創(chuàng)新閱讀(2021年10期)2021-10-23 05:13:43 母親肥胖竟然能導(dǎo)致胚胎缺陷中國(guó)生殖健康(2020年5期)2021-01-18 02:59:48 造血干細(xì)胞移植與捐獻(xiàn)生物學(xué)通報(bào)(2020年10期)2020-08-13 08:52:26 母親肥胖竟然能導(dǎo)致胚胎缺陷中國(guó)生殖健康(2018年5期)2018-11-06 07:15:38 干細(xì)胞產(chǎn)業(yè)的春天來了?知識(shí)經(jīng)濟(jì)·中國(guó)直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52 DiI 在已固定人胚胎周圍神經(jīng)的示蹤研究新疆醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年10期)2015-12-26 12:33:30 冷凍胚胎真的可以繼承嗎?中國(guó)衛(wèi)生(2014年11期)2014-11-12 13:11:24 干細(xì)胞治療有待規(guī)范中國(guó)衛(wèi)生(2014年2期)2014-11-12 13:00:14 太空遇險(xiǎn)紅領(lǐng)巾·探索(2014年7期)2014-10-10 02:13:56
陳飛
在極端物理?xiàng)l件下，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理化學(xué)過程、生命過程等都可能會(huì)發(fā)生變化，這就意味著微重力實(shí)驗(yàn)有實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破的可能。
人類要走向太空，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化
4月18日下午，“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的回收艙降落在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)。在12天的太空旅途之后，這枚中國(guó)首顆專用的微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的使命告一段落。
“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星總重3.3噸，使用化學(xué)電池供電，搭載了19項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是迄今為止單次微重力和空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及種類最多的衛(wèi)星任務(wù)。其中8項(xiàng)在留軌艙進(jìn)行，11項(xiàng)在回收艙進(jìn)行。
顧名思義，“微重力”即是“接近于無”的重力，也就是一般人所說的“失重”。但由于移動(dòng)物體的加速度和高空大氣的阻力，在空間站上符合實(shí)驗(yàn)要求的微重力環(huán)境是很難達(dá)到的。與空間站相比，衛(wèi)星任務(wù)時(shí)間相對(duì)短，不需要考慮對(duì)接和人類活動(dòng)等干擾；又因?yàn)槭褂没瘜W(xué)電池，所以不需要展開太陽(yáng)翼，不會(huì)受到額外的阻力。這些條件使“實(shí)踐十號(hào)”在最好的情況下可以達(dá)到10-6g的微重力水平。
6000余枚小鼠胚胎 “上天”
微重力衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)好處是機(jī)動(dòng)性高。“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說：“比如，這次要進(jìn)行的胚胎實(shí)驗(yàn)可以在發(fā)射前8小時(shí)才裝到衛(wèi)星上，縮短在地面停留的時(shí)間，如果搭載在載人飛船上不可能做到了。而且返回式科學(xué)衛(wèi)星在實(shí)驗(yàn)完成后就可以及時(shí)回收，這也是空間站做不到的。”
胡文瑞提到的這項(xiàng)胚胎實(shí)驗(yàn)名為“微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究”，6000余枚小鼠早期胚胎被帶上太空，觀察它們的發(fā)育狀況。中科院動(dòng)物研究所胚胎生物學(xué)研究組組長(zhǎng)段恩奎是這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。
實(shí)際上，早在2006年，中國(guó)的“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星上就搭載了段恩奎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的小鼠胚胎發(fā)育實(shí)驗(yàn)。他說：“當(dāng)時(shí)有兩個(gè)目標(biāo)，一是建立一套太空的胚胎成像系統(tǒng)，爭(zhēng)取看到胚胎在天上的情況；二是爭(zhēng)取讓小鼠胚胎在太空中發(fā)育。結(jié)果第二個(gè)目標(biāo)沒實(shí)現(xiàn)。那個(gè)時(shí)候胚胎是發(fā)射前32小時(shí)放到衛(wèi)星上的，胚胎還沒上天就已經(jīng)開始發(fā)育了?！?/p>
實(shí)驗(yàn)失敗后，十年間，他的團(tuán)隊(duì)又用了幾萬枚胚胎做了上百次實(shí)驗(yàn)，尋求改進(jìn)方法?！白雠咛グl(fā)育實(shí)驗(yàn)，需要一個(gè)二氧化碳培養(yǎng)箱，還要有一個(gè)鋼瓶用來通氣，要保溫保濕，并且還要用顯微鏡去觀察?！倍味骺榻B。但是這一整套設(shè)備在太空環(huán)境中要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還要體積合適，不是一件容易的事。段恩奎團(tuán)隊(duì)與西北農(nóng)林科技大學(xué)教授馬保華合作研發(fā)了胚胎密閉培養(yǎng)體系，研制了適用于太空胚胎培養(yǎng)的特殊培養(yǎng)液。中科院上海技術(shù)物理所則把這個(gè)“實(shí)驗(yàn)室”壓縮成了一個(gè)17公斤重、類似家用微波爐大小的培養(yǎng)箱和一個(gè)電控箱，且使其具有密閉培養(yǎng)、自動(dòng)搜索識(shí)別顯微成像、遙控固定、圖像下傳等功能。
衛(wèi)星上天十幾小時(shí)后，從傳回的顯微影像上，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎細(xì)胞分裂的跡象。2細(xì)胞到4細(xì)胞，再到8細(xì)胞、16細(xì)胞。到60小時(shí)左右，有些已經(jīng)發(fā)育成囊胚。在此之前，國(guó)內(nèi)外尚未有過在微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育成功的報(bào)道。中國(guó)在世界上第一次證明了哺乳動(dòng)物早期胚胎在太空微重力條件下可以發(fā)育到囊胚階段。
除了用于發(fā)育研究，實(shí)驗(yàn)中還有一部分胚胎不會(huì)分裂，而是固定在某一階段隨返回艙回到地球，用于分析太空環(huán)境對(duì)胚胎發(fā)育的影響。至于那些發(fā)育成囊胚的胚胎，因?yàn)椴荒芗皶r(shí)在母體子宮著床就會(huì)死亡，所以這些小鼠胚胎無法回到地球繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育。我們也無從知道，暴露在各種輻射中成長(zhǎng)的“太空嬰兒”是什么模樣。不過，人類在理解太空中生命如何繁衍生息的問題上又前進(jìn)了一小步。
在天上“燒煤球”有意思嗎
被“實(shí)踐十號(hào)”帶入太空的，除了小鼠胚胎，還有植物、家蠶和人體干細(xì)胞。它們涉及的科學(xué)實(shí)驗(yàn)也許會(huì)更快地對(duì)人類生活產(chǎn)生影響。畢竟，“太空育種”早已不是新鮮事。中國(guó)航天一直對(duì)航天育種情有獨(dú)鐘，共有70多種植物的1000多個(gè)品種的種子進(jìn)行了太空育種試驗(yàn)，此前還曾發(fā)射一顆專門的返回式衛(wèi)星用于育種。而“實(shí)踐十號(hào)”科學(xué)衛(wèi)星上進(jìn)行的是高等植物培育的研究。
在長(zhǎng)期的太空任務(wù)中，物資供應(yīng)都指望地面補(bǔ)給是不現(xiàn)實(shí)的?！皩?shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行的水稻和擬南芥微重力光照生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，就是為了解決這一問題。將來，種土豆不算什么，也許宇航員連米飯、面條都可以自給自足了。
而微重力條件下造血和神經(jīng)干細(xì)胞的研究，有助于我們了解干細(xì)胞是如何增殖和定向分化的，這可能會(huì)讓治愈白血病和老年癡呆等疾病不再是難題。干細(xì)胞是一類具有分化和自我更新能力的母細(xì)胞，神經(jīng)干細(xì)胞可以變成神經(jīng)元或是膠質(zhì)細(xì)胞，而造血干細(xì)胞能夠分化成各種血細(xì)胞。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所再生醫(yī)學(xué)研究中心主任戴建武說，“目前這些細(xì)胞在太空的生長(zhǎng)情況良好，等回收后我們會(huì)分析它們的蛋白質(zhì)表達(dá)、基因表達(dá)情況?！?/p>
除了干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，空間技術(shù)其實(shí)早就在就在醫(yī)療健康領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。人造心臟、腎透析技術(shù)，無不是空間技術(shù)的杰作。用于測(cè)量脈搏和其他身體狀況的非侵入式傳感器，也是由監(jiān)測(cè)宇航員用的類似設(shè)備直接派生而來的。美國(guó)國(guó)家航空航天局還研制了新型滾筒式生物反應(yīng)器供研究使用，它能夠在人體外培養(yǎng)組織細(xì)胞，如心臟組織、骨組織、韌帶等。許多細(xì)胞和組織，必須有一個(gè)穩(wěn)定的表面或其他結(jié)構(gòu)支撐以幫助其成長(zhǎng)，而這種生物反應(yīng)器中和了地心引力，所以細(xì)胞能夠像在身體里一樣生長(zhǎng)。
胡文瑞說：“在極端物理?xiàng)l件下，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理化學(xué)過程、生命過程等都可能會(huì)發(fā)生變化，這就意味著微重力實(shí)驗(yàn)有實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破的可能?！比祟愐呦蛱?，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化。
中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室研究員趙建福就在研究太空中的沸騰有什么不同。他負(fù)責(zé)的項(xiàng)目是“微重力沸騰過程中的汽泡熱動(dòng)力學(xué)特征研究”，實(shí)驗(yàn)過程相當(dāng)于在太空中“燒開水”，只不過使用的液體沸點(diǎn)比水低得多。
在地面重力條件下，被加熱的液體內(nèi)部一旦產(chǎn)生氣泡就會(huì)在浮力作用下離開加熱面。而在“實(shí)踐十號(hào)”傳回的影像中可以看到，在微重力條件下，氣泡像荷葉上的露珠一樣，在加熱面上抖動(dòng)，并且不斷長(zhǎng)大。“這樣一來，氣泡在時(shí)間和空間上都有一個(gè)更大的尺度，方便我們研究氣泡的運(yùn)動(dòng)特征和它周圍局部的傳熱特性?！壁w建福說，“沸騰不只是生活中燒個(gè)開水、蒸個(gè)饅頭，在工業(yè)上也是一種很高效的傳熱方式，所以受到了廣泛關(guān)注。”
與此相似的是，在微重力環(huán)境下，蛋白質(zhì)可以生長(zhǎng)出很大的晶體，可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。如果應(yīng)用到制藥上，每分析成功一種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)就會(huì)生產(chǎn)出一個(gè)新產(chǎn)品。美國(guó)用于開發(fā)一種新藥的研發(fā)費(fèi)用一般在5億到10億美元，平均耗時(shí)5年左右。空間環(huán)境下研究蛋白質(zhì)無疑會(huì)大大提高效率和質(zhì)量，其成果可能用來改變?nèi)祟惤】禒顩r，解決食品、醫(yī)藥等問題，提高人的生存質(zhì)量。
實(shí)際上，人類在近半個(gè)世紀(jì)的空間活動(dòng)中獲得了大量的科學(xué)成果，其中有些已經(jīng)用于改善人類生活。以聚氨酯材料制成的“記憶泡沫”床墊、最初在太空實(shí)驗(yàn)室使用的火災(zāi)警報(bào)器，和原在航天飛機(jī)上使用的輕型隔熱膜，都是觸手可及的例子。
“實(shí)踐十號(hào)”上開展的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)也許會(huì)帶來下一個(gè)直接改變?nèi)藗兩畹募夹g(shù)，例如，可能讓我們告別霧霾。微重力環(huán)境下的燃燒研究可以加深我們對(duì)燃燒現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。美國(guó)空間站十大成果之一，就是通過棉花團(tuán)點(diǎn)燃觀察到“冷焰燃燒”，這一低溫狀態(tài)下的燃燒是地面上無法看到的。胡文瑞介紹，此次“煤燃燒及其污染物生成實(shí)驗(yàn)”也期待看到微重力條件下煤的“冷焰燃燒”實(shí)驗(yàn)效果。
該實(shí)驗(yàn)選擇兩到三種我國(guó)典型煤種，在實(shí)驗(yàn)裝置中點(diǎn)燃，觀測(cè)不同爐溫、不同環(huán)境氣體成分條件下的單個(gè)球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒過程，記錄下火焰形狀、揮發(fā)和釋放現(xiàn)象及其變化規(guī)律等。
煤炭是我國(guó)能源的主力，高效燃燒和降低污染物是未來對(duì)燃燒技術(shù)的必然要求。構(gòu)建煤炭的燃燒模型需要準(zhǔn)確的參數(shù)，但地面研究時(shí)面對(duì)重力和浮力對(duì)流的干擾，有些參數(shù)幾乎不可能準(zhǔn)確測(cè)量，影響了對(duì)煤炭燃燒機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)。
“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師康琦說：“在微重力環(huán)境下進(jìn)行煤燃燒實(shí)驗(yàn)，可以避免浮力、熱對(duì)流等因素干擾，有望獲得一些地面無法得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)幫助人類更好利用煤炭資源有重要意義。”
猜你喜歡
今日農(nóng)業(yè)(2022年13期)2022-09-15 01:21:20
家教世界·創(chuàng)新閱讀(2021年10期)2021-10-23 05:13:43
中國(guó)生殖健康(2020年5期)2021-01-18 02:59:48
生物學(xué)通報(bào)(2020年10期)2020-08-13 08:52:26
中國(guó)生殖健康(2018年5期)2018-11-06 07:15:38
知識(shí)經(jīng)濟(jì)·中國(guó)直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52
新疆醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年10期)2015-12-26 12:33:30
中國(guó)衛(wèi)生(2014年11期)2014-11-12 13:11:24
中國(guó)衛(wèi)生(2014年2期)2014-11-12 13:00:14
紅領(lǐng)巾·探索(2014年7期)2014-10-10 02:13:56
