“天宮第二課”實驗背後的奧秘

新華社北京3月23日電(記者李國利黃一宸)3月23日下午,中國空間站“天宮課堂”再度開課,“太空教師翟志剛、王亞平葉光富演示了太空“冰雪實驗液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗等。

爲什麼要做這些科學實驗?背後蘊含着哪些科學奧妙?與人類探索浩瀚宇宙又有什麼關聯?新華社記者採訪多位專家一一解讀。

實驗一:溫熱的“冰球

現象回顧】這一幕彷彿發生在“魔法世界”:透明的液球飄在半空中,王亞平用一根小棍點在液球上,球體瞬間開始“結冰”,幾秒鐘就變成通體雪白的“冰球”。王亞平說,這枚“冰球”摸上去是溫熱的。

【專家解讀】“太空‘冰雪’實驗實際上是過飽和乙酸鈉溶液形核結晶過程,過程當中會釋放熱量。”中國科學院空間應用工程與技術中心研究張璐介紹,過飽和溶液結晶通常需要外界“擾動”,而這個實驗的“玄機”就在於小棍上沾有晶體粉末,爲過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結核,進而析出三水合乙酸鈉晶體。

【延伸閱讀】在地面上進行結晶實驗時,晶體的樣子可能因容器形狀不同有很大差異。而在微重力環境中,晶體並不受容器的限制,可以懸浮在半空“自由生長”,這與中國空間站裡的無容器材料實驗櫃相呼應。無容器材料實驗櫃目前主要有兩個用途:一是實現材料在無容器狀態下從熔融到冷卻凝固的過程,供科研人員收集物性參數進行研究;二是用於特殊材料在軌生長,縮短新材料從實驗室走向流水線、走進大衆視野的時間。

實驗二:“拉不斷”的液橋

【現象回顧】葉光富將水分別擠在兩塊液橋板上,水球狀似倒扣着的碗。液橋板合攏,兩個水球“碗底”挨“碗底”;液橋板分開,一座中間細、兩頭粗的“橋”將兩塊板相連;王亞平再將液橋板拉遠,液橋變得更細、更長,仍然沒有斷開。

【專家解讀】張璐介紹,微重力環境與液體表面張力是液橋得以成形的主要原因。日常生活中的液橋不易被察覺,比如洗手時兩個指尖偶然形成幾毫米液柱,再拉遠一點就會受重力作用坍塌。而在空間站裡,航天員輕鬆演示出比地面大數百倍的液橋,這在地面上是不可能看到的景象。

【延伸閱讀】液體表面張力是“天宮課堂”中的高頻詞,天宮一號太空授課、中國空間站首次太空授課做過的水膜、水球實驗都闡釋了這一原理。中國科學院力學研究所研究員康琦介紹,空間站可以最大限度擺脫地面重力影響,爲包括液橋實驗在內的流體力學研究創造了良好的條件。2016年9月15日,天宮二號空間實驗室帶着液橋熱毛細對流實驗項目升空

實驗三:“分不開”的水和油

【現象回顧】王亞平用力搖晃一個裝有水和油的瓶子,讓水油充分混合,瓶中一片黃色。時間一分一秒過去,瓶中沒有發生任何變化,油滴仍然均勻分佈在水中。葉光富前來助力,抓着系在瓶上的細繩甩動瓶子。數圈後,水油明顯分離,油在上層,水在下層。

【專家解讀】“我們都知道地面上油水輕,平時喝湯的時候看到油花都習以爲常。”中國科學院物理研究所研究員樑文傑說,然而在空間站中,情況卻大不一樣,水和油之所以“難捨難分”、長時間保持混合態,是由於在微重力環境下密度分層消失了,也就是浮力消失了。

“水油在天上成功分離的原因是,瓶子高速旋轉時類似離心機,可以理解爲離心作用使得浮力重新出現了。”張璐說。

【延伸閱讀】科研人員可以藉助微重力環境特性開展研究,例如利用密度分層消失,在微重力環境下向熔融合金中注入氣體,可以得到航空航天、能源和環保領域的重要材料――泡沫金屬。

與之相關的是,高微重力科學實驗櫃能夠提供高微重力環境,其內部微重力水平是空間站艙內百倍到千倍,更接近真實宇宙空間;外部設計氣浮、磁浮兩級懸浮,減輕了空間站姿態軌道控制機動產生的加速度、各類儀器運轉產生的力矩和震動、航天員活動帶來的質心變化和衝擊、太陽風和稀薄大氣的擾動等干擾因素影響,能夠支持更爲精密的科學實驗。

實驗四:翻跟頭的“冰墩墩

【現象回顧】北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”壓軸登場,迎來太空之旅的“高光時刻”。王亞平水平向前拋出“冰墩墩”擺件,一向憨態可掬的“墩墩”姿態格外輕盈,接連幾個“空翻”畫出了一條漂亮的直線,穩穩站在了葉光富手中。

【專家解讀】太空拋物實驗展示了牛頓第一定律所描述的現象。在空間站中,“冰墩墩”擺件被拋出後幾乎不受外力影響,保持近似勻速直線運動。“天宮課堂”地面主課堂授課老師、北京師範大學第二附屬中學物理教師張健介紹,地球人眼中物體運動的理想狀態,如今得以在太空中一探究竟。

【延伸閱讀】我們爲什麼要開展在軌科學實驗?張璐介紹,目前正在進行的實驗項目,一是要揭示微重力環境下的特殊現象,屬於從科學角度認識世界;二是通過在軌實驗助力地面科學研究,改進工藝水平;三是艙外有高真空環境、輻照、亞磁場等,這些特殊環境因素對生物體、材料、元器件等影響也是我們要研究的內容;四是進一步探索未知領域,包括暗物質探測、行星起源探索等。問天夢天實驗艙發射升空後,還會有一大批前沿科學實驗陸續在中國空間站開展。