3月23日下午,中国空间站“天宫课堂”再度开课。授课期间,航天员通过视频通话形式与地面课堂师生进行了互动交流。
据中国载人航天工程办公室介绍,在约45分钟的授课中,神舟十三号飞行乘组航天员、“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富演示了太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等。为什么要做这些科学实验?背后蕴含着哪些科学奥妙?与人类探索浩瀚宇宙又有什么关联?来听听专家解读。
这次太空授课活动在中国科技馆设地面主课堂,在西藏拉萨、新疆乌鲁木齐设2个地面分课堂。
课程笔记
实验1
天宫怎样生成“冰球”?
看太空“冰雪”实验:温热的冰球
【现象回顾】
这一幕仿佛发生在“魔法世界”:透明的液球飘在半空中,王亚平用一根小棍点在液球上,球体瞬间开始“结冰”,几秒钟就变成通体雪白的“冰球”。王亚平说,这枚“冰球”摸上去是温热的。
【专家解读】
“太空‘冰雪’实验实际上是过饱和乙酸钠溶液形核、结晶的过程,过程当中会释放热量。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张璐介绍,过饱和溶液结晶通常需要外界“扰动”,而这个实验的“玄机”就在于小棍上沾有晶体粉末,为过饱和乙酸钠溶液提供了凝结核,进而析出三水合乙酸钠晶体。
【延伸阅读】
在地面上进行结晶实验时,晶体的样子可能因容器形状不同有很大差异。而在微重力环境中,晶体并不受容器的限制,可以悬浮在半空“自由生长”,这与中国空间站里的无容器材料实验柜相呼应。无容器材料实验柜目前主要有两个用途:一是实现材料在无容器状态下从熔融到冷却凝固的过程,供科研人员收集物性参数进行研究；二是用于特殊材料在轨生长,缩短新材料从实验室走向流水线、走进大众视野的时间。
实验2
水的表面张力有多大?
看液桥演示实验:“拉不断”的液桥
【现象回顾】
叶光富将水分别挤在两块液桥板上,水球状似倒扣着的碗。液桥板合拢,两个水球“碗底”挨“碗底”；液桥板分开,一座中间细、两头粗的“桥”将两块板相连；王亚平再将液桥板拉远,液桥变得更细、更长,仍然没有断开。
【专家解读】
张璐介绍,微重力环境与液体表面张力是液桥得以成形的主要原因。日常生活中的液桥不易被察觉,比如洗手时两个指间偶然形成几毫米液柱,再拉远一点就会受重力作用坍塌。而在空间站里,航天员轻松演示出比地面大数百倍的液桥,这在地面上是不可能看到的景象。
【延伸阅读】
液体表面张力是“天宫课堂”中的高频词,天宫一号太空授课、中国空间站首次太空授课做过的水膜、水球实验都阐释了这一原理。中国科学院力学研究所研究员康琦介绍,空间站可以最大限度摆脱地面重力影响,为包括液桥实验在内的流体力学研究创造了良好的条件。2016年9月15日,天宫二号空间实验室带着液桥热毛细对流实验项目升空。
实验3
太空里水油能分离吗?
看水油分离实验:“分不开”的水和油
【现象回顾】
王亚平用力摇晃一个装有水和油的瓶子,让水油充分混合,瓶中一片黄色。时间一分一秒过去,瓶中没有发生任何变化,油滴仍然均匀分布在水中。叶光富前来助力,抓着系在瓶上的细绳甩动瓶子。数圈后,水油明显分离,油在上层,水在下层。
【专家解读】
“我们都知道地面上油比水轻,平时喝汤的时候看到油花都习以为常。”中国科学院物理研究所研究员梁文杰说,然而在空间站中,情况却大不一样,水和油之所以“难舍难分”、长时间保持混合态,是由于在微重力环境下密度分层消失了,也就是浮力消失了。
“水油在天上成功分离的原因是,瓶子高速旋转时类似离心机,可以理解为离心作用使得浮力重新出现了。”张璐说。
【延伸阅读】
科研人员可以借助微重力环境特性开展研究,例如利用密度分层消失,在微重力环境下向熔融合金中注入气体,可以得到航空航天、能源和环保领域的重要材料——泡沫金属。
与之相关的是,高微重力科学实验柜能够提供高微重力环境,其内部微重力水平是空间站舱内百倍到千倍,更接近真实宇宙空间；外部设计气浮、磁浮两级悬浮,减轻了空间站姿态和轨道控制机动产生的加速度、各类仪器运转产生的力矩和震动、航天员活动带来的质心变化和冲击、太阳风和稀薄大气的扰动等干扰因素影响,能够支持更为精密的科学实验。
实验4
冰墩墩压轴登场有啥节目?
看太空抛物实验:翻跟头的“冰墩墩”
【现象回顾】
北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”压轴登场,迎来太空之旅的“高光时刻”。王亚平水平向前抛出“冰墩墩”摆件,一向憨态可掬的“墩墩”姿态格外轻盈,接连几个“空翻”划出了一条漂亮的直线,稳稳站在了叶光富手中。
【专家解读】
太空抛物实验展示了牛顿第一定律所描述的现象。在空间站中,“冰墩墩”摆件被抛出后几乎不受外力影响,保持近似匀速直线运动。“天宫课堂”地面主课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健介绍,地球人眼中物体运动的理想状态,如今得以在太空中一探究竟。
【延伸阅读】
我们为什么要开展在轨科学实验?张璐介绍,目前正在进行的实验项目,一是要揭示微重力环境下的特殊现象,属于从科学角度认识世界；二是通过在轨实验助力地面科学研究,改进工艺水平；三是舱外有高真空环境、辐照、亚磁场等,这些特殊环境因素对生物体、材料、元器件等影响也是我们要研究的内容；四是进一步探索未知领域,包括暗物质探测、行星起源探索等。问天、梦天实验舱发射升空后,还会有一大批前沿科学实验陆续在中国空间站开展。
课间答疑
没有重力皮肤会不会变好?
王亚平:空间站没有太阳光照射,温度和湿度也都控制在适宜范围内,另外在微重力环境下,体液会向上分布,皮肤也会随之向上提升,所以我感觉在空间站里皮肤状态很不错。此外,在空间站,护肤水之类的不能倒出来,要用特定装置挤压。
空间站里的时序是怎么设置的?
空间站90分钟绕地球一圈,但天宫里还是用的北京时间。
在太空中水能烧开吗?
空间站里水是烧不开的!
在太空里空间站会受到阻力吗?
虽然运行轨道非常高,但空间站在太空里是会受到阻力的,所以需要有动力才能维持空间站的轨道运行。
重温功课
你知道空间站曾做过哪些实验吗?
实验1 神奇的“冷焰”
在国际空间站上有一个有趣的火焰熄灭实验。在不同的压力和气体环境中燃烧庚烷和甲醇液滴。在大量的液滴实验中,科学家观察到了令人意想不到的“冷焰”现象。在庚烷液滴燃烧后,明明已经看不到火焰,是所谓的“熄灭”状态,但是液滴却在连续、快速、几乎稳定地蒸发,表现出与有可见火焰时相同的状态,科学家将这个过程定义为“冷焰”。
普通可见火焰的燃烧温度一般在1226.85摄氏度到1726.85摄氏度,“冷焰”则是在226.85摄氏度到526.85摄氏度相对较低的温度下燃烧。而且,二者的化学反应完全不同,普通的火焰会产生烟尘、二氧化碳和水,而“冷焰”会产生一氧化碳和甲醛。“冷焰”在地球上也存在,但它们只是一闪而过,在空间站中“冷焰”则可以持续很长时间。“冷焰”的发现有助于提高燃油机的效率并减少污染排放,具有很大的应用潜力。
实验2 “长肉”的机器人
通常我们认为的机器人,是由一堆金属组成的。2015年4月,搭载人造肌肉材料的猎鹰9号火箭从美国佛罗里达州升空进入国际空间站,目的是在国际空间站中测试这种材料的抗辐射能力,未来它将被安装在机器人身上,使其能够在特殊环境中执行任务。这种人造肌肉是由电活性聚合物制成的材料,是一种新型智能高分子材料。在外加电场的作用下,当电荷逆转时,它会随着电流收缩、扩张、弯曲、束紧或膨胀,能够模拟人类的肌肉运动。
人造肌肉除了能够模拟人类的肌肉运动外还具有非常好的抗辐射特点,所以这种材料被安装到机器人身上,可以使其更好地完成太空探索的任务,也可以在核电站故障后执行救援和维修维护任务。
这种人造肌肉能够承受的辐射极限和火星上的辐射相当,是人类所能承受辐射的20倍。同样,人造肌肉在零下271摄氏度的条件下也不会发生改变,在远高于水的沸点的135摄氏度的环境下也能很好地工作。基于人造肌肉各方面的优越性,研究人员将人造肌肉送往太空进行测试,检验其是否能够适应太空和外星球表面的恶劣环境。
实验3 精准的太空钟表
在天宫二号空间实验室中,科学家实现了国际上最高精度的空间冷原子钟,日稳定度达7.2×10-16秒,可以近似描述为3000万年误差小于1秒。在地面上,由于受到重力的作用,经激光冷却和俘获后的超冷原子团始终处于变速状态,宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动,这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。
在空间微重力环境下,原子团可以做超慢速、匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而可以获得更高精度的原子钟信号。因此空间冷原子钟成为重要的高精度时间频率系统。
由于空间冷原子钟可以在太空中对其他卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,避免了大气和电离层多变状态的影响,因此可以为全球卫星导航系统提供授时服务,具有更加精确和稳定地运行能力；同时,可以支持开展广义相对论验证、基本物理常数测量、地球重力位测量等重大科学研究与应用研究。
幕后揭秘
空间站、地球之间架“鹊桥”
天地通信由“羊肠小道”变“高速公路”
“天宫课堂”第二课的内容要从约400公里外的宇宙空间站传回地球,不是一件简单的事,这背后离不开高科技航天设备的支持。
记者从中国航天科技集团八院(简称“八院”)了解到,高速通信处理器是天地通信的“利器”之一,它在中国空间站与地球之间架起一座无形的“鹊桥”,使得中国空间站上的图像、话音数据以及其他载荷用户数据,能实时地、准确地在这个无形“桥梁”上通过,传送到地球。
“以往,由于技术所限,天地通信只有一条‘羊肠小道’,而今,中国空间站和地面的通信却是一条实实在在的高速公路,图像、话音数据都是这条路上的车辆。”高速通信处理器的技术负责人朱浩文说。
在“天宫课堂”的授课中,航天员老师们与地面的学生交流,离不开八院电子所研制的空间站话音处理器。据介绍,该话音处理器能实现中国空间站舱内、舱间、天地、出舱,以及核心舱和神舟飞船之间的音频通话,天地间实时通话的时延在1秒以内。
此外,这次“天宫课堂”连线中使用的摄像机种类繁多,有用于舱内环境监视的广角定向摄像机,有用于细节监视的变焦云台摄像机,还有用于直播授课的便携无线手持摄像机。机位众多、视角各异、远近兼顾,保证了全过程画质的细腻和流畅。
来源:新华社、央视新闻
