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帶着你的好奇和疑問去找火星

圖文 更新时间:2025-01-06 17:19:10

如果人類真的能像科幻電影和小說中一樣,能在長久地在太空中航行,想想是不是有點小激動呢?

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我的三體之星艦地球(來源:bilibili-我的三體)

說到這個我可就不困了。

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前不久我國發射的問天實驗艙艙攜帶的水稻種子和拟南芥種子成功發芽,目前長勢良好。長成的太空水稻還有一個好聽的名字叫“小薇”。

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長勢良好的太空水稻和拟南芥幼苗(來源:bilibili-我們的太空)

除此之外,問天實驗艙還搭載了一個生命生态實驗櫃,在其中放置了藻類,水槽和斑馬魚形成了一個微小的生态系統。通過觀察微型生态系統的生命參數可以為将來在太空中建立大型生态系統打好基礎 [1]。


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問天實驗艙成功發射(來源:央廣網)

所以,在太空中生活需要注意些什麼呢?

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Part I:微重力的環境

首先,我們在太空中是感受不到重力的,大家可以随便飛!

這是因為,當我們在宇宙飛船、空間站或者月球上時,由于它們都繞着地球轉動有一個向心加速度,可以作為一個非慣性參考系。我們在其中會受到慣性力,這個慣性力也可以被稱為慣性離心力,力的大小與地球的萬有引力相同,方向與萬有引力相反,所以就感受不到地球的重力了。


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Tips非慣性參考就是具有加速度的參考系,在分析非慣性參考系中物體的運動時要加上一個慣性力,慣性力的大小為物體的質量乘以該參考系的加速度方向與該參考系的加速度方向相反。)

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在電影星際穿越中,主角團們在進入空間站後通過使空間站自轉而模拟出了重力,這個重力實際上是由于空間站自轉而産生的另一個慣性離心力


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星際穿越中旋轉的空間站(來源:電影星際穿越)

假設空間站的尺寸為100m,通過簡單的計算可以知道,要實現與在地球上相同的重力,空間站的轉速相當于地球自轉速度的6000倍

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同樣的,要改變重力,隻需要設計一個可以提供不同轉速的裝置就可以了。在問天實驗艙中就設計了一個900mm大小的離心機,通過控制轉速可以實現重力的精細調節。

看到這裡大家不禁想問,在地球上有沒有實現失重的辦法呢?


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衆所周知,自由落體是一個失重過程。根據這個原理,人們發展了一種微重力實驗室:失重飛機


一個架次的失重飛行由若幹個失重抛物線組成,每個失重抛物線包括4個階段:急躍升階段、失重階段、下降階段和平飛階段[2]。每次飛行可以實現15~20次失重次數,每次失重可以持續25~28秒。失重水平可以達到0.01g。

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失重飛機一次抛物飛行曲線示意圖(來源:參考文獻[3])

除此之外,還可以将高空氣球在預定高度釋放落艙實現失重。這也是一個自由落體過程,失重時間在30~60s,失重水平可以達到10g [4]。這些微重力實驗室由于失重時間短所以隻能完成一些簡單實驗,可以為之後進入太空中打好基礎。

依靠自由落體可以模拟出一個真實的失重環境。


除此之外,可以再想一下:如果給人施加一個向上的大小等于mg的力以抵消重力,不就也達到了失重的效果了嗎?

所以人們又發展了中性浮力水槽的失重實驗,人體通過在水中增加或減少漂浮器的方法,使人體受到的浮力和重力相等從而實現等效失 [5]。


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航天員進行水下訓練(來源:央視新聞)


但是注意在這種情況下,隻是人體整體實現了失重的效果,人的組織、器官等還受到重力作用。通過這個方法可以模拟太空行走失重工程控制等訓練。

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Part II:如何阻擋強輻射環境?

宇宙中的強輻射一般是高能量的粒子。一方面是始終存在的來自宇宙深處的高能質子離子,或者介子等帶電粒子;另一方面是偶然發生的太陽質子事件。宇宙射線中最高能量的粒子的能量甚至能達到地球上加速器所能提供最大能量的幾千萬倍 [6]。

高能粒子照射到物體表面,會與物體表面的上的原子、分子發生相互作用。對于人體來說,強輻射會使皮膚受到損傷,誘導細胞癌變。

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物質中的原子一般通過共價鍵離子鍵金屬鍵,或者通過分子間的範德瓦爾斯力結合在一起。

這些結合方式本質上是通過原子的外層電子實現的。

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所以,如果原子中的外層電子從高能粒子中獲得能量,就會脫離出原子,進而破壞了這些化學鍵,導緻原子之間無法穩定結合,從而損傷物體。

除此之外,高能粒子可能會與原子中的内層電子相互作用産生大量有害射線。

首先是電子獲得很高的能量直接從固體中脫出,其次是當内層處于低能級的電子從固體中脫出後,外層處于高能級的電子躍遷到低能級從而輻射光子,輻射出的光子也被稱為x射線,然後輻射出的x射線進一步激發内層電子從而輻射二次電子

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高能射線與原子中的電子相互作用

更高能量的粒子甚至可以和原子核相互作用,打破核力的束縛,從而輻射出質子、中子

那麼如何阻擋這些高能粒子呢?

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一個直接的想法是采用厚厚的材料作為屏障。但是這個方法需要極多的材料,即使屏蔽一個宇宙飛船大小的空間,所需要的防輻射材料就需要以為單位[6]。同時高能粒子與材料相互作用再産生的電子、中子、x射線次級輻射,也會産生新問題。

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另一個考慮是:既然這些高能輻射都是帶電粒子,那麼利用電場或磁場是不是就可以約束粒子或者改變這些粒子的運動軌迹呢?

地磁場的作用就是這樣保護了地球上的生命不受宇宙高能射線的損傷。

帶電粒子在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用,從而改變運動軌迹。電場也會給帶電粒子施加電場力,從而改變粒子速度的大小和方向。

通過合理設計外部空間的電磁場分布,可以使來自宇宙的高能射線發生偏轉或減速,從而保護我們的空間站。


值得一提的是,帶電粒子在電磁場中的運動軌迹,如下圖,是常見的高考題目了。

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電子在電磁場中運動受到電場力和洛倫茲力的作用

所以小盆友,我這裡有一套五三秘籍,帶領人類飛向宇宙的重任就交給你了!

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我們可以在航天器表面通上電流産生磁場,模拟出地磁場的分布。


或者利用低強度的磁場使周圍空間中的熱電子聚集在航天器周圍,形成電子雲,從而産生強大的電場,進而阻擋帶電粒子。


也可以在航天器主艙體上連接四個金屬球,分别帶負電,從而形成一個非對稱的靜電場分布,直接偏移周圍帶電粒子的運動軌迹。[6]

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空間站主體艙加四金屬球防護裝置結構圖(來源:餐參考文獻6)

當然實際操作中防輻射的防護材料電磁場的方法肯定是需要搭配使用的。

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Part III:生活必需品:氧氣和水

要想在太空中長期生存,從地面上自帶氧氣和水畢竟是有限的,那麼有哪些方便快捷的生産氧氣和水的方法呢?

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電解水就是一個簡單的方法。通過構造一個電解池陽極處水分子被氧化失去電子生成氧氣和氫離子,氧氣随着水流排出,氫離子與固體聚合物膜内水分子結合後在電場的作用下遷移到陰極,陰極處氫離子得到外電路的電子被還原成氫氣

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固體聚合物電解水電解池原理圖(圖片參考自文獻[8])

通過電解水除了得到了我們想要的氧氣之外,産生的氫氣也會有大用處。


人吸收氧氣呼出二氧化碳,注意到二氧化碳中也存在氧原子,所以可以利用二氧化碳與氫氣發生反應産生水。


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但是由于氫氣和二氧化碳的性質都比較穩定,所以需要采用催化(金屬鐵、钴、鎳、钌)在高溫高壓的環境下使其反應。由于二氧化碳和氫氣混合的比例不同會額外産生一氧化碳、碳單質、甲烷、甲醇等物質,所以在實際操作中需要仔細控制二者參與反應的比例防止産生不利物質。

除此之外,利用過氧化鈉和二氧化碳之間的反應也可以生成氧氣。

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利用二氧化碳制備水和氧氣的反應方程式

除了化學反應之外,我們還可以回收日常用水和尿液。通過蒸餾-冷卻的方式将純淨水再次制備出來。


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水在太空中會表現出與在地面上不同的樣子,在沒有重力的情況下,水的内部也不存在壓強了。但是由于分子相互間的吸引力,水依然有表面張力

一團水在太空中最自然的存在方式是形成一個球形。這是因為在相同體積的情況下,球形物體的表面積最小,而液體的表面能等于表面張力乘以表面,所以在太空中保持球形可以使水的表面能量最低,也就是最穩定的狀态。


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在之前太空授課中有一個水穩定地存在于杯子中的現象,和在地球上的杯中水一模一樣,廣大網友還對此展開了一番讨論,這是怎麼回事呢

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太空授課中與地面無異的杯中水

這是由于水與玻璃杯表面發生浸潤

在固體與液體接觸的表面會有一層附着層。液體分子對附着層中分子的吸引力為内聚力,方向指向液體内部;固體分子對附着層中分子的吸引力為附着力,方向指向固體内部。


附着力大于内聚力,則附着層分子所受的合力指向固體内部,所以液體分子都會向附着層移動,但是這樣又增大了液體與固體的接觸面積從而增大表面能量,所以最終會形成如下圖所示的浸潤平衡的現象。[9]

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液體浸潤現象(來源:秦允豪《熱學》)

Ps這杯水是宇航員姐姐一滴一滴地擠到杯子裡的(是一個很辛苦的過程呢),隻要不再對其施加外力,這杯水就會一直保持那個樣子。

那麼氣體在太空中又表現出什麼現象呢?


相比于液體,氣體分子間的間距要大得多,所以就不存在分子間的吸引力了,氣體的壓強來自于氣體分子的熱運動,所以氧氣還是自然地逸散在空間中,和在地面上沒有區别。

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Part IV:種菜

我們将視角進一步往前看,如果在太空中可以大規模種植植物,建立生态系統,植物可以通過光合作用吸收二氧化碳産生氧氣,那麼不僅可以解決水和氧氣的問題,同時也能解決食物的問題。

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前面提到,在太空中大部分時間是處于微重力環境下的。對于植物來說,沒有了重力的約束,可能就不需要土壤的支撐了。細胞之間不再受到重力的擠壓,彼此間的距離就不會太緊湊,同時細胞可能會朝着四面八方肆意生長,這樣種出來的植物可能就會比在地球上大

但是微重力也可能影響細胞骨架,導緻細胞的生長可能出現畸形,或者會影響細胞膜的性質,從而影響細胞間物質的交流,同時微重力也會影響細胞分裂周期[10]。


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總之,微重力對植物生長的作用依然是當下太空微重力科學研究的重點。我國發射的問天實驗艙也攜帶了研究微重力情況下植物和細胞生長的實驗艙。

在太空中大部分情況是缺少土壤的,所以可以采用水耕栽培的方法種植植物。水耕栽培又被稱為無土栽培,在地球上通常用來服土壤栽培遇到的鹽漬化,病蟲害,酸堿失衡等困難[11]。水耕栽培通過調配适當的營養液使植物生存。

一般的新鮮植物有75%~95%的部分為水分,剩下的幹物質包括C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S等基本元素和Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、Ni等微量元素,微量元素具有調節植物的新陳代謝,參與物質的轉化和運輸信号傳遞和滲透調節等功能[12]。


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為了給植物提供足夠的基本元素和微量元素,我們可以将含各種元素的化合物與蒸餾水溶解混合調配成營養液,同時需要設定一定的溶液PH值

栽培過程為首先選擇飽滿無蟲病的種,其次消毒使其在培養過程中不被細菌感染。


然後用水浸種使種子吸足水分,種皮膨,從而使種子可以吸收氧氣,加強種子代謝酶促反應等生命過程。


再其次等待其發芽後移栽至營養液中,最後定期更換營養液同時及時補充消耗的氧氣[12]。

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以水稻水耕栽培為例,從左到右分别為水稻種子吸水露白,發芽以及移栽過程。(來源:參考文獻[12])

土壤種植或許也是一種在太空中種植植物的方法。比如在電影火星救援中,主角就是通過利用糞便種植土豆為生。


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馬克在火星種土豆(來源:電影火星救援)

但是要大面積的進行土壤種植還是需要更加細緻的研究外星球土壤的理化性質,然後對土壤進行改造,使土壤可以儲存水分、礦物質。同時土壤中必須存在細菌、真菌組成的生物群落以保證植物根際圈的存在,這是因為微生物的氮代謝,發酵和呼吸作用等生命活動對植物根系生長有着重要作用,微生物與植物間形成共生、拮抗和寄生的關系[13]。

總之,在太空中進行土壤種植依然處于一個暢想的階段,我們先安下心來研究一下剛從月球帶回來的月壤吧。诶嘿!

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失去夢想之月壤不能種菜(來源:bilibili-光明日報)

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Part V:用電問題

通過以上的分析過程,想要在太空中生存,不管是生産氧氣和水,或者種植植物,更不用提空間站和儀器的運行,這些都是需要大量的能量或者電力。那麼在太空中如何發電呢?

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能直接想到的一個方法當然是利用太陽能發電了,也就是利用光電效應将光能轉化為電能。

對于一個原子來說,電子分布在原子核外部的各個能級之上,當兩個原子互相靠近時,這些能級就會發生分裂。對于固體來說,其内部存在大量互相靠近的原子,同時由于原子排列是周期性的,會導緻原子中的電子軌道互相交叉從而形成能量連續分布的能帶。能容納電子的部分稱為允帶,不能容納電子的部分稱為禁帶。禁帶的大小稱為能隙


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允帶又分為導帶價帶。對于一個半導體來說,在沒有外部幹擾的情況下,絕大部分電子都處在價帶中,不參與導電。隻有少部分電子受溫度影響會躍遷到導帶中參與導電,溫度越高,躍遷到導帶中的電子越多,這就是半導體随溫度升高導電性會變好的原因。這些熱電子平衡載流子

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固體中能帶的形成過程及半導體的電子分布

對半導體實施不同的摻雜會變成n型半導體p型半導體。比如對于矽單質來說,它本身是一個本征半導,也就是激發到導帶的電子和價帶的空穴一樣多

如果摻雜磷原子,會額外引入一個電子,從而導緻電子比空穴多,主要靠電子導電,也就成為n型半導體。如果摻入硼原子,會額外引入一個空穴,從而導緻空穴比電子多,主要靠空穴導電,也就是成為p型半導體

将p型半導體和n型半導體合在一起就成為了pn結

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由于n型半導體中電子濃度更高,所以電子會發生空間擴散,從n型半導體中擴散到p型半導體中。電子離開n型半導體原本的區域後會留下不可移動的正離子實,形成了正電荷空間區域;電子進入p型半導體填補了原本區域中的空穴,形成了負離子實負電荷空間區域。電子的空間擴散導緻原本中性的二者出現了空間電荷區域,從而在内部形成電場[11]。

當光照射到半導體上時,如果光子的能量大于半導體的禁帶寬度,大量電子會吸收光子的能量躍遷到導帶中稱為非平衡載流子。對于pn結來說,這些非平衡載流子通過内部自發的電場發生遷移,形成電流。太陽能電池就是依靠這個基本原理将光能轉化為電能。

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pn結光生電流原理示意圖

除此之外也可以利用核反應發電。核能發電目前主要的方式是核裂變,未來期望能實現可控核聚變

不管是核聚變還是核裂變,基本原理都是原子核在極高溫下失去質子或中子質子和中子重新形成新的原子核。新原子核形成的過程中,參與反應的舊原子核和質子中子的總質量大于新的原子核的質量,這是因為原子核内部質子和中子是靠核力的吸引結合在一起的,所以結合能是負的。所以在後面這個過程會發生質量虧損,根據愛因斯坦質能方程,虧損的質量會轉化為巨大的能量。

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比如一個典型的輕核聚變過程氘核(一個質子加一個中子)反應生成氦原子核(兩個質子加兩個中子)、質子中子的過程,中間産物伴随着氚核(一個質子加兩個中子)和氦3(兩個質子加一個中子)的産生[15]:

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那麼如何将核能轉化為電能呢?

其實方法很簡單,就是燒開水。核能加熱水使其變成具備很高動能的水蒸,水蒸氣吹動機械葉片通過電磁感性效應産生交流電

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交流發電機原理圖(圖源:百度百科)

未來是否能發展其他的發電方式呢?


答案是有的,比如利用熱電材料進行溫差發電

對于一個熱電材料來說,如果其兩端有着不同的溫度,就會産生一個電動勢,連接上導線短路,就會産生電流。

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熱電效應示意圖(來源:參考文獻[16])

熱電效應最早由德國科學家塞貝克在1821年發現。其基本原理為:對于半導體來說,其熱端的載流子會比冷端具有更大的動能;同時,前面我們提到,熱激發也會使載流子從價帶躍遷到導帶,所以熱端躍遷到導帶的載流子更多。兩者共同的作用使得載流子會擴散到冷端,從而使得半導體兩端産生電荷的積累

比如對于n型半導電子從熱端遷移到冷端,從而在冷端積累負電荷熱端形成正電荷區域,所以半導體的兩端就會形成電勢差。[16]

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目前熱電材料依然處于發展階段,但也有着廣闊的應用前景。

6

結語

好了,你已經掌握了在太空中生存所需要了解的基本知識了,做好去太空安家和冒險的準備了嗎?

雖然但是,人類要飛向宇宙還有着很遠的路,需要依靠各行各業每個人共同的努力

總之,讓我們向着遠方的星辰和宇宙的深淵,前進!

參考文獻:

[1] “問天”4 大科學實驗櫃,詳解來了! 中國科學報/2022 年/7 月/25 日/第001 版.

[2] 基于失重飛機的微重力科學實驗系統, 呂從民,席隆,趙光恒,張玉涵,清華大學學報(自然科學版)2003年第43卷第8期.

[3] 神奇的失重飛機,唐承格,科技視野 2006.1.

[4] 用高空氣球實現的微重力環境模拟實驗系統,王建一,航天控制,1990年第3期。

[5] 人機整合出艙活動的模拟失重試驗技術研究進展, 周前祥.

[6] 主動太空輻射防護方法分析與研究, 陳世适,張甯博,熊芬芬, 中國宇航學會深空探測技術專業委員會第九屆學術年會論文集.

[7] 固體物理教程,王矜奉,山東大學出版社.

[8] 電解水制氫的影響因素研究,李靜,北京建築大學碩士論文, 2020年6月.

[9] 熱學,秦允豪,高等教育出版社.

[10] 空間生命科學中細胞骨架的研究進展, 王馳,莊逢源,王文, 醫用生物力學2007年, 第22卷, 第2期.

[11] 水耕栽培營養液循環控制系統的設計與控制性能分析, 方慧, 楊其長,魏靈玲,巫國棟,魏強,農機化研究,2009年3月第3期.

[12] 改進水稻幼苗無土栽培方法的探讨, 黃秋婵,唐鳴,李怡, 化學化工與生态環境研究, 2013年, 第30 卷, 第3 期.

[13] 超積累植物篩選及污染土壤植物修複過程研究, 魏樹和, 中國科學院研究生院博士論文,2004年5月.

[14] 半導體物理,劉恩科,電子工業出版社.

[15] 原子物理學,楊福家,高等教育出版社.

[16] 熱電材料的基本原理、關鍵問題及研究進展, 郭凱,駱軍,趙景泰, 自然雜志,2015年, 第37卷, 第3期.

編輯:Garrett

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