化学家揭示:这些太空中的“超级实验室”到底有多牛?

图片 1“实践十号”卫星在酒泉发射升空。图片来源:Steed

新华社酒泉4月6日电(记者吴晶晶、荣启涵、余晓洁)6日1时38分,酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列第二颗星——实践十号返回式科学实验卫星送入太空。

人民日报:实践十号离生活并不远

2016年4月6日凌晨1时38分,酒泉卫星发射中心。长二丁火箭发射的火焰照亮了夜空。它所搭载的是“实践十号”卫星:空间科学战略性先导专项首批确定的科学卫星项目中唯一的返回式卫星,也是中国第一个专用的微重力实验卫星。

实践十号卫星搭载着19项创新性的科学实验,相当于把一个综合性的实验室搬到了太空。这个实验室有多牛?科学家们为我们揭秘。

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等等,太空中不都已经是失重了吗,为什么这还需要专用卫星呢?

使命:揭开被重力掩盖的科学秘密

4月6日凌晨,我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星发射升空。这颗专为科学设计的卫星搭载了19位“乘客”开展空间科学实验。这些“乘客”有哪些研究价值,对我国空间科学有什么意义?

微重力,说来容易做来难

微重力这三个字听起来没有什么了不起,不就是失重嘛——只要一个物体处于自由落体下就行了。所有绕地飞行的人造卫星都等于是在做自由落体,加速度等于重力加速度,根据相对论等效原理,不就是都相当于不受重力了吗?

在中学物理题里是的,但是现实中就不是了。世界并不是由无限小质点和完美刚体小球组成的。哪怕一架航天器在地球轨道上飞行,如果它需要对接,需要调整姿态,需要改变轨道,或者内部有活动的物体,这一切都会产生加速度,同时带来等效的重力变化;甚至当它什么都不做的时候,因为它不同部位和地球距离不同,都还会有潮汐力。这些影响很小,不超过地球重力的千分之几,但是在精密的实验中,小的加速度也会产生很大的影响。因此,微重力实验需要对重力环境的定量控制:我们要求这个环境的重力必须在一定时间内小于一个极其微小的数值,而不能满足于模糊的“差不多失重”。

实现微重力倒不一定非要去太空中。北京中关村北四环以南建有中科院微重力实验室的百米微重力实验落塔——实验载荷从顶部做自由落体运动。双舱模式下它最大能搭载30千克载荷,微重力水平可以达到10-5g的水平。但是毕竟高度有限,自由下落提供的微重力环境只能持续约3.6秒,而且每天只能进行2次实验。日本建造过全球最大的落井,其微重力持续时间也不到10秒。对于很多实验来说,这太短了。

图片 3中科院微重力实验落塔内景。图片来源:新华社

要想获得更长的微重力实验时间,可以上天。美俄欧等国家都拥有专用的微重力实验飞机,飞机在空中进行抛物线飞行,机舱内产生失重环境,根据飞行路径设计的不同,微重力环境可以持续20秒到30秒,这也是微重力实验的主要手段之一。抛物线飞行比落塔的费用高得多,但这项微重力技术已经相当成熟,如今美国私营的ZeroG公司更是提供了商业微重力体验服务,超模凯特·阿普顿还为该公司拍摄宣传照。

图片 4ZeroG宣传视频。图片来源:Sports
Illustrated

中国还没有专用微重力飞机,但是中国航天员曾奔赴俄罗斯使用伊尔-76飞机进行微重力环境下的训练。今年2月,中科院太空增材制造技术抛物线飞机飞行实验队又在法国波尔多开展了3个架次93次飞行,进行了中国首次微重力环境下的3D打印技术实验验证。“实践十号”卫星的蒸发与流体界面效应空间实验项目的前期,中科院和法国空间研究中心也使用落塔和失重飞机联合进行了实验研究。

但就算30秒,也还是太短了。真正的长期微重力实验,还是要靠太空。

对科学家来说,宇宙空间是一个很好的实验室。地球上的物理现象,都受到地球重力的制约,比如浮力、沉降等。在微重力,也就是通常说的“失重”环境下,能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。

有关家蚕、水稻等研究将来都可能有很大的应用前景

为什么需要专用的微重力卫星?

表面看来,空间站是得天独厚的微重力环境,不但失重,运作时间还长。苏联的“和平”号空间站设计寿命4年最终飞行了15年之久;国际空间站甚至有可能2028年才退役,届时寿命将达到30年之多;中国未来的“天宫”空间站设计寿命10年,但同样也有很大的延寿潜力。2011年天宫一号发射成功之后,今年又将发射“天宫二号”空间实验室,验证在轨加注和载人30天中期驻留等技术能力,两年后“天宫”载人空间站的“天和”号核心舱也将发射升空。眼见载人空间站计划稳步推进即将完成,“实践十号”作为一颗若干天后就要回收的卫星,怎么也不能和它比寿命啊。

但其实空间站的微重力环境并不如看起来那么理想。根据美苏“天空实验室”、“礼炮”号和“和平”号空间站运营的实际经验,航天员在舱内一般性移动引起的过载就有约5×10-5g,如果是快速移动更是会产生10-4g到10-3g的巨大过载,空间站进行轨道维持也会产生10-3g级别的过载,飞船对接产生的过载更大。作为长期有人驻留的载人空间站,航天员和飞船的访问是必不可少的业务,即使微重力实验刻意避开飞船对接和轨道维持的时刻,航天员的活动却很难回避。

再说,空间站实在是太大了。根据高层大气密度的变动,近地轨道上的大气阻力可带来3×10-7g到5×10-5g的过载,而长度每增加1米,潮汐力还会再加上大约5×10-6g的加速。空间站自身体积已经十分庞大,还有巨大的太阳能板,这些因素都相当不利。

相比之下,“实践十号”卫星的条件就好得多。它使用化学电池供电,利用轨道微重力环境进行19项空间微重力科学和生命科学实验,其中8项在留轨舱进行,11项在回收舱进行。因为无人而且任务时间相对短,就不需要考虑对接和人类活动等等干扰;又因为使用化学电池,所以不需要展开太阳翼。种种因素,令“实践十号”的关键部位可以达到小于10-6g的微重力水平。

图片 5图片 6实践十号卫星在轨模拟图,不需要太阳能板。图片来源:中国科学院科学传播局

此外,它作为返回式卫星还有一个优点:机动性很高。就“实践十号”而言,可以根据科学实验的具体要求,直到发射前几个小时才将实验设备安装就位,尽可能缩短实验样品(特别是生物实验样品)在常规重力环境下的生长时间。另外,微重力实验也并不是在天上呆的时间越长越好的,实验完成之后,对结果的分析必须在地面上进行。返回式卫星可以及时将样品送回到地面,这样的灵活机动性是空间站不具备的一大优势。

“实践十号”卫星发射重量小于3600千克,使用长征二号丁火箭发射,但它的返回舱可以携带高达600千克的载荷返回地面,对比50千克下行能力的神舟飞船,“实践十号”返回式科学卫星成本低微重力水平高,具有独特的工程和科学价值。更难得的是,“实践十号”还保留有一个留轨舱,可以在返回舱分离之后继续进行科学实验,多项微重力燃烧实验都将在其中进行。

可以说,以返回式卫星为基础的“实践十号”科学卫星,不只是未来空间站的补充,更有不可替代的作用。

图片 7地面上的实践十号卫星。图片来源:中国科学院科学传播局

“极端物理条件下,物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能会发生变化,这就意味着重大科学突破的可能。”实践十号卫星首席科学家、中科院院士胡文瑞说。

在实践十号上进行科学实验,主要是利用其在太空飞行时营造的微重力环境。地球上发生的许多物理现象,都有重力的原因,消除重力因素,就可能观察到地球上不可能出现的独特现象,揭示被重力掩盖的秘密。实践十号发射升空,相当于在太空微重力环境下主动搭建了一个“移动实验室”。

十年一星的艰难历程

长期以来我国重视应用研究,而对基础科学研究投入不够,“实践十号”科学卫星的历史就是一个缩影。我国已经发射了24颗返回式卫星,其中绝大多数是遥感卫星,还有一颗“实践八号”航天育种卫星,但微重力实验卫星“实践十号”的立项和研制却相当坎坷。

原国防科工委早在2005年就将其列入“十一五”空间科学发展规划,并发布了“实践十号”项目指南。2006年7月中法双方的空间局召开第一次联合委员会,确认了利用中国“实践十号”卫星进行了两项空间实验合作的事项,2007年中法两国签署微重力科学合作备忘录,进行微重力实验合作。但由于种种原因,“十一五”规划的空间科学卫星无一立项,“实践十号”项目同样被迫搁浅。

幸运的是“十一五”规划即将结束时出现转机,2010年3月31日国务院常务会议审议通过了中科院“创新2020”规划,借此东风2011年1月11日空间科学战略性先导专项正式启动,“实践十号”卫星终于起死回生。中科院空间科学战略性先导专项对“实践十号”任务的科学实验项目进行了复审和评审,最终确定了以空间微重力实验为中心的19项科学实验项目,2012年12月31日“实践十号”正式立项,开始启动工程研制,而此时距离“实践十号”项目的提出已经过去了至少7年。

得益于我国丰富的返回式卫星研制生产经验,“实践十号”卫星虽然提出了携带600千克载荷返回地面的指标,但卫星平台的研制相当顺利,项目面临的主要挑战是微重力实验载荷的研制。“实践十号”科学卫星将利用太空微重力和复杂辐射环境,围绕能源和生物等国家科技战略目标,研究物质运动、材料和生命活动的规律,进行微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射生物效应、空间重力生物效应和空间生物技术等6大领域的19项科学实验,它将成为我国迄今为止内容最丰富的空间微重力实验项目。值得一提的是,“实践十号”科学卫星不仅联合了中科院11个研究所和国内6所高校共同参与,还与欧洲空间局进行了合作研究,成为一个国际合作航天项目。

2014年12月25日,“实践十号”返回式科学实验卫星转入正样研制阶段,2015年7月卫星的正样有效载荷陆续交付完成,2016年2月卫星出厂运往酒泉卫星发射中心,4月6日“实践十号”卫星发射升空。“实践十号”卫星承载着中国科学家的微重力科研之梦,将为我国微重力科学研究开辟新的空间,十年磨炼造就的这颗卫星绝对值得期待。

我国是继美国、俄罗斯之外第三个掌握返回式卫星技术的国家,实践十号是我国发射的第25颗返回式卫星。“也是首颗大规模实施无人空间微重力实验的返回式科学卫星。”中国航天科技集团五院实践十号卫星工程总设计师唐伯昶说。

实践十号总设计寿命为15天,搭载了19个科学实验载荷。这19名“乘客”中,微重力科学实验项目10项,空间生命科学实验项目9项。实践十号为返回式卫星,有留轨舱和回收舱,其中8项流体物理和燃烧实验放在留轨舱内进行,可看成是“单程票乘客”;其余11项科学实验将在回收舱进行,他们手握“往返票”,这些实验载荷及实验样品日后将重返地球。

卫星上都有什么实验?

“实践十号”卫星将搭载19个有效载荷开展空间科学实验,不仅搭载的有效载荷数量比以往的返回式卫星多了一倍,科学实验项目之多也是前所未有的。

图片 8装配中的实践十号科学卫星。图片来源:中国科学院科学传播局

首先,有一批微重力流体物理试验项目。这其中有一项和我们的日常生活息息相关:单晶硅。单晶硅是一种重要的半导体材料,是电脑芯片制造的基础。人们都希望生长的晶体尺寸大质量好,但在地面重力环境下会出现沉淀效应和浮力对流,影响单晶硅的品质。微重力环境下没有这些不利因素,还可以使用无容器处理技术,从而制备出质量更高的单晶硅。

然而微重力制备单晶硅也有独特的麻烦,比如表面张力不均匀引发的热毛细对流一直就是微重力研究的热点,“实践十号”卫星上专门开展了热毛细对流表面波空间实验研究,观测流体表面的温度和形变,这项研究将为我们未来在太空制备高质量的半导体晶体奠定基础。

此外,“实践十号”利用微重力环境开展熔体材料生长实验,利用多功能熔炉进行8种样品的空间材料生产实验,为未来的太空半导体、金属和金属复合材料制备冶金积累经验。“实践十号”卫星还将开展微重力条件下石油组分热扩散特性研究和Soret系数测量实验,它具有更显著的应用价值,因而也得到了欧洲空间局和法国石油公司的支持和参与。Soret系数测量等实验可以加深我们对原油这种多组分流体在不同温度和压力下的分布认识,这些数据有助于修正油田原油分布的理论模型,提供更准确的原油分布预测。中国虽然不是一个贫油国,但石油的分布和开采条件要比中东国家差的多,这项研究对于我国找到更多的原油和降低油田开采成本都有着重要的价值。

然后,“实践十号”还开展了微重力燃烧实验。美国不久前发射的“天鹅座”货运飞船也将进行太空微重力燃烧实验,这并非简单的巧合,微重力燃烧一直是空间科学研究的热点之一。

中国正在稳步推进载人航天计划,而载人航天器的防火一直是棘手的问题,“神舟七号”飞船任务中航天员出舱前的火灾虚警大家一定记忆犹新。航天器增压舱有氧环境下一旦内部着火后果不堪设想,但我国航天器防火缺乏完善的规范,现在仍只能借鉴地面和航空的防火规范。载人飞船和空间站独特的微重力环境下,火焰燃烧和正常重力环境下的表现肯定有巨大的差异,这种借鉴只是权宜之计。

针对我国目前缺乏微重力防火经验的问题“实践十号”卫星将特意进行导线绝缘层着火及烟气分布规律研究和典型非金属材料的着火及燃烧特性研究,研究微重力环境下导线等非金属材料的着火和燃烧规律,为我国建立自己的航天防火规范奠定基础,这对保障我国未来“天宫”空间站的长期安全稳定运行具有重要作用。

微重力燃烧实验的价值并非仅仅是防火,微重力环境下的燃烧研究可以加深我们对燃烧现象的认识。国际空间站上的研究表明微重力环境下火焰和地面上具有很大不同,比如庚烷液滴的球形明火熄灭后还在以肉眼看不到的方式继续燃烧,相比这个阳春白雪的研究发现,“实践十号”卫星的煤粉燃烧和污染物生成特征研究可谓下里巴人,不过微重力环境下的煤粉燃烧实验自有其独特的价值。中国能源以煤炭为主,石油天然气为辅,煤炭的高效燃烧和降低污染物对我国的节能减排工作具有重要意义。构建煤炭的燃烧模型需要准确的参数,但地面研究时面对重力和浮力对流的干扰,有些参数几乎不可能准确测量,影响了我们深入认识煤炭燃烧机理。“实践十号”卫星的太空煤粉燃烧实验就是为了解决这一问题,这项研究实验有助于我国进一步提高煤炭燃烧效率,更好的实现节能减排和减少雾霾。

再然后,还有微重力下植物生长相关的研究。中国航天一直对航天育种情有独钟,此前还曾发射一颗专门的返回式卫星用于航天育种,不过“实践十号”科学卫星强调独创性,并没有翻来覆去的进行育种实验,而是进行了高等植物培育等研究。

载人航天经过了几十年的发展,长期太空飞行任务不断增多,国际空间站还将进行为期一年的长期任务,未来载人火星任务的时间就更长了。长期太空任务中物资都指望地面补给很不现实,“实践十号”卫星进行的水稻和拟南芥微重力光照生长实验,就是为了解决这一问题。这项实验将观测重力在高等植物开花中的作用,研究高等植物的生长转变过程。这些研究数据将应用于未来载人航天的受控生命保障系统的设计,并为太空植物培养提供理论依据。“实践十号”上虽然没了航天育种,但多了航天种菜,对载人航天的长远发展具有更大的意义。

同时,“实践十号”卫星还进行了动植物空间辐射效应等多项研究。它将综合测量水稻个体接受空间辐射的诱变,还将研究辐射环境对家蚕生长发育的影响,了解空间辐射诱变的分子生物学机理。随着载人航天的继续发展,人类必将从事太空开发和外星殖民等长期太空活动,太空微重力和辐射环境对人类的影响就成了无法回避的拦路虎。微重力的太空环境下航天员普遍出现骨质流失、肌肉萎缩、免疫系统和心血管系统异常的生理变化,我国航天员在“天宫一号”上进行短期太空任务时,不仅穿上了企鹅服,还配备了各种运动器械,但如果是长期太空飞行,即使锻炼身体也可能出现不可逆的变化。“实践十号”将进行微重力下的骨髓干细胞的定向分化研究,认识微重力环境如何造成骨细胞生成减少,为长期太空活动导致的骨质变化提供预防和治疗的依据;“实践十号”卫星还专门进行了名为“微重力下细胞物质输运规律研究”的实验,检测细胞代谢、分化等指标,从微观的细胞生长领域认识微重力环境对航天员身体的影响机理,为研究出更有效的对策提供科学依据,从而保障人类在太空环境下长时间健康生活;“实践十号”卫星还进行了别开生面的小鼠早期胚胎细胞太空发育实验,实验将研究太空环境对典型哺乳动物胚胎早期生长发育的影响,深入了解太空环境对哺乳动物早期发育的作用机理,这对未来长期太空活动中人类的生殖和健康具有不可替代的价值。以这些知识为基础,太空怀孕和生产将不再是遥不可及的梦想,将来我们欣喜的看到太空婴儿甚至月球/火星婴儿的出生和成长的新闻时,可不要忘了“实践十号”科学卫星曾经作出的探索啊。

最后,“实践十号”卫星的空间生物研究并非仅仅为了上天,它同样有落地的项目:微重力造血和神经干细胞研究。胚胎干细胞是一种具有自我复制能力的多潜能细胞,可以分化为多种功能细胞,再生出各种组织器官。“实践十号”卫星的任务是在太空环境下深入研究干细胞的培养和生长。体外干细胞如何保持非分化增殖和定向分化,是干细胞研究的难点和热点,我国将利用“实践十号”科学卫星独特的微重力环境,深入研究造血和神经干细胞的生长规律,为解决干细胞的增殖分化提供科学依据,这将有助于我们未来更好的解决白血病和老年痴呆等一系列生命难题。(编辑:Ent)

“从上世纪80年代后期,我国就开始利用返回式卫星做微重力科学实验,但都是搭载在其他用途的卫星上。实践十号是第一颗专门为进行微重力科学和空间生命科学研究而发射的卫星,对科学研究来说,机会十分难得。”胡文瑞说。

实践十号工程项目首席科学家胡文瑞院士表示,19项科学实验任务是从200多项申请中精心挑选出来的,全部实验项目均为微重力科学和空间生命科学前沿课题,其中多项科学实验是在国际上首次开展。“每一项都是全新探索,具有很强的科学研究价值”。

他说,近年来,微重力环境是各国研究的焦点领域。人类要走向太空,就必须研究微重力环境下物质会发生哪些变化。而科学家们的一些理论猜想,也只有到太空微重力的环境下,才能进行实验验证。

比如,导线绝缘层和典型非金属材料这两个微重力燃烧实验,是针对载人航天器的防火问题而设计的。由于缺乏微重力条件下完善的防火规范,我国以往主要借鉴地面或航空的防火规范。

“地球重力场是盖在物质运动规律和生命活动规律上的面纱,不揭开就无法看到很多问题的本质。”中科院国家空间科学中心主任、空间科学卫星工程常务副总指挥吴季说,“实践十号卫星是一个高效、短期、综合空间实验平台,它的使命就是揭开被重力所掩盖的科学秘密,力争获得重大科学突破。”

“微重力环境比地面更容易着火,而且着火点不易发现,很难扑灭。那么,哪些材料能用,哪些材料不能用?如何发现火情?怎么灭火?这一系列问题都要靠太空实验去解决。这两项实验就是要观察微重力条件下材料着火、燃烧以及烟气析出的规律,并对比重力条件下的燃烧规律,为建立我国自己完整的航天防火规范服务。这将对未来我国空间站的防火问题起到重要作用。”胡文瑞说。

优势:具备比空间站更好的微重力环境

又如,晶体生长和材料制备在现代通信、电子产业中占据很重要的地位,在微重力环境下开展晶体生长研究,可排除浮力对流和重力沉淀效应的干扰。实践十号卫星科学应用系统总设计师康琦说,研究微重力环境下晶体生长和凝固过程,有助于理解材料从熔体中形成的界面动力学,为改善地面晶体生长工艺奠定基础。通过微重力环境抑制溶质浮力对流,从而获得地面重力场中难以生长的高质量材料。

为了开展微重力研究,科学家们尝试在地球上模拟微重力环境,比如利用几十米、几百米高的落塔或落井、抛物线飞机和探空火箭。

19项科学实验任务看上去“高冷”,其实很多离生活并不远。以“微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究”为例,煤是我国的主要能源,高效燃烧、降低污染排放对我国具有特殊意义。煤燃烧的模型化研究需要准确的物性参数,然而由于受到地上重力及浮力对流的影响,有些物性参数的准确测量几乎不可能。因此,有效建立各种模型以及模型推演,认识煤燃烧机理对提高煤燃烧效率非常重要。在微重力环境下,观察煤炭燃烧和污染物生成的基本规律,有望获得一些地面无法得到的基础数据,发展更完善的煤燃烧理论和模型,帮助我国更好地绿色利用煤炭资源。

“落塔或落井微重力时间只有几秒钟;抛物线飞机可提供30秒低重力时间;探空火箭一般从5分钟到十几分钟。它们可以做流体、燃烧等耗时短的微重力实验,而材料生长、生物过程等需要时间较长的实验就无法进行。”实践十号卫星科学应用系统总设计师康琦说,“长时间的空间科学实验需要利用科学卫星、航天飞机、空间站进行,与地面微重力实验互为补充。”

康琦表示,研究中有关家蚕、水稻以及涉及生命科学探索的研究,将来都可能有很大的应用前景,不仅能转化为可观的经济效益,也将促进社会发展。

我国将在2020年前后开始空间站的建设,为什么还要发射科学卫星呢?胡文瑞解释说,空间站有实验时间长、可以有人参与等优势,但残余重力、机械动力和人的活动干扰可能给实验结果带来影响。实践十号卫星是专门为微重力科学和空间生命科学而设计的卫星,将为实验提供更好的微重力环境和其他条件。

弥补我国空间科学“只见技术、不见科学”的短板