和地球有關的科學實驗?1894年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描繪了一個環繞地球軌道的“太空小屋”，它實際上就是一座空間站，可以進行天文觀測，還可以進行植物栽培如今空間站對大衆來說已經不是個陌生的概念，然而在空間站中，又有哪些地面所沒有的優勢，究竟能夠做哪些在地面上可望而不可及的實驗呢？太空裡有哪些奇特的物理現象呢？，我來為大家科普一下關于和地球有關的科學實驗?下面希望有你要的答案，我們一起來看看吧!

和地球有關的科學實驗

1894年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描繪了一個環繞地球軌道的“太空小屋”，它實際上就是一座空間站，可以進行天文觀測，還可以進行植物栽培。如今空間站對大衆來說已經不是個陌生的概念，然而在空間站中，又有哪些地面所沒有的優勢，究竟能夠做哪些在地面上可望而不可及的實驗呢？太空裡有哪些奇特的物理現象呢？

在太空微重力條件下，物質運動的規律發生了很多變化，出現了在地面無法觀測到的一些奇特現象，涉及流體、燃燒、材料、基礎物理等各個方面。

NASA宇航員蒂姆·科普拉在國際空間站實驗室的微重力科學手套箱中執行操作。版權／NASA

/ 太空中沸騰出現大氣泡

在正常重力情況下（左圖），浮力的作用使得氣泡克服表面張力從加熱器表面向上升起。在微重力（右圖）中，浮力很弱，由于表面張力的存在，氣泡通常附着在加熱器上，并且由于來自加熱器的能量連續輸入，會産生更多的蒸汽，氣泡變大。

在太空中浮力對流基本消失了，對于水加熱的情況，高溫的水不能升起，而是靠近熱源，越來越熱。同時，遠離熱源的水保持相對較冷。當加熱的流體達到其沸點時，氣泡不會上升到表面。相反，形成的氣泡聚合成位于加熱器表面上的一個大氣泡。在泡沫中蘊藏着珍貴的熱能，但這些熱能被困在氣泡中。通過在空間站上實現變重力的沸騰實驗，科學家可以研究影響沸騰的各種因素，從而有可能推動改進冷卻系統設計，提高制冷技術的效率，這将對全球經濟和環境産生積極影響。

/ 太空中燃燒的球形火焰

火焰在地面（左圖）和在微重力環境（右圖）中的對比。

在地球上，當火焰燃燒時，它會加熱周圍的空氣，在重力的作用下，更冷、更密集的空氣吸引到火焰底部，從而排出升起的熱空氣。這種對流過程将新鮮氧氣輸送到火中，向上流動的空氣使得火焰形成液滴形狀并使其閃爍。但奇怪的事情發生在太空中，沒有重力，熱空氣膨脹但不會向上移動。由于氧氣的擴散，火焰持續存在，氧氣分子随機飄入火中來維持火焰，其火焰會向四周伸展，形成球形火焰。

但是由于氧氣分子飄入火焰的量相對地球環境中要少許多，而且受到周圍廢氣的阻礙，燃燒不夠充分。所以太空燃燒會比在地球上更緩慢。正常重力條件下産生的火焰和微重力環境下的火焰之間的區别可謂一目了然。科學家在微重力環境中研究燃燒過程，進一步揭示了重力掩蓋下燃燒和傳熱的規律，進而幫助提高燃燒效率和清潔能源研發。

/ 神奇的“冷焰”

國際空間站發現的冷焰現象。

在國際空間站上有一個有趣的火焰熄滅實驗，是在不同的壓力和氣體環境中，燃燒庚烷和甲醇液滴。在大量的液滴實驗中，科學家觀察到了令人意想不到的 “冷焰”現象。在庚烷液滴的燃燒後，明明已經看不到火焰，是所謂的“熄滅”狀态，但是液滴卻在連續、快速、幾乎穩定的蒸發，表現出與有可見火焰時相同的狀态，科學家将這個過程定義為“冷焰”。

普通可見火焰的燃燒溫度一般在1500開爾文（1226.85攝氏度）到2000開爾文（1726.85攝氏度），“冷焰”則是在500開爾文（226.85攝氏度）到800開爾文（526.85攝氏度）的相對較低的溫度下燃燒。而且，他們的化學反應完全不同，普通的火焰會産生煙塵、二氧化碳和水，而“冷焰”會産生一氧化碳和甲醛。“冷焰”在地球上也存在，但它們隻是一閃而過。在空間站中，“冷焰”則可以持續很長時間。“冷焰”過程的發現可應用于燃油機的研發，有助于提高燃油機的效率并減小污染排放，具有很大的應用潛力。

/ 機器人也可以有肌肉

太空人造肌肉。

當我們想起機器人的形象時，可能會想到複雜的結構機構、電機和控制器，一堆的金屬。2015年4月，搭載人造肌肉材料的獵鷹9号火箭從美國佛羅裡達州升空進入國際空間站，目的是在國際空間站測試這種材料的抗輻射能力，未來它将被安裝在機器人身上，使其能夠在特殊環境中執行任務。這種人造肌肉是由電活性聚合物制成的材料，是一種新型智能高分子材料。在外加電場的作用下，當電荷逆轉時，它會随着電流收縮、擴張、彎曲、束緊或膨脹，能夠模拟我們自身肌肉的運動。

人造肌肉除了能夠模拟我們的肌肉運動外還具有非常良好的抗輻射特點，所以這種材料被安裝到機器人身上，可以幫助人類更好地探索太空，例如執行火星任務，也可以在核電站故障後執行救援和維修維護任務。這種人造肌肉能夠耐受人類所能承受的輻射極限的20倍，和火星上的輻射相當，在輻射測試45小時後仍然保持了很好的導電性、強度和耐用性。同樣，人造肌肉在零下271攝氏度的條件下也不會發生改變，在遠高于水的沸點的135攝氏度的環境下也能很好地工作。

基于人造肌肉各方面的優越性，研究人員将人造肌肉送往太空進行測試，檢驗其能夠适應太空和外星球表面的惡劣環境。未來，這些人造肌肉可以用來制作人類的假肢，可以像我們自己的身體一樣做微妙的動作，為受傷的人恢複行動能力和自由度。同時，安裝了人造肌肉的機器人可以在潛在的核災難和其它危險區域，執行需要精細運動技能的任務。

/ 精準的太空鐘表

宇航員蒂姆·皮克正在進行實驗硬件配置。版權／ESA

在天宮二号空間實驗室中，科學家實現了國際上最高精度的空間冷原子鐘，日穩定度達7.2×10^-16秒，可以近似描述為3000萬年誤差小于1秒。在地面上，由于受到重力的作用，經激光冷卻和俘獲後的超冷原子團始終處于變速狀态，宏觀上隻能做類似噴泉的運動或者是抛物線運動，這使得基于原子量子态精密測量的原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制。在空間微重力環境下，原子團又可以做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信号。因此空間冷原子鐘成為重要的高精度時間頻率系統。

由于空間冷原子鐘可以在太空中對其它衛星上的星載原子鐘進行無幹擾的時間信号傳遞和校準，從而避免大氣和電離層多變狀态的影響，因此可以為全球衛星導航系統提供授時服務，具有更加精确和穩定的運行能力；同時，可以支持開展廣義相對論驗證、基本物理常數測量、地球重力位測量、空間冷原子幹涉儀、冷原子陀螺儀等重大科學研究與應用研究。

——本文節選自《中國國家天文》2022二月刊

作者簡介 /

張偉，中國科學院空間應用工程與技術中心研究員。

轉載内容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

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來源：中國國家天文

編輯：just_iu

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