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在太空探寻科学奥秘

浮力消失、液桥演示、水油分离……在中国空间站的“天宫课堂”上,充满奇思妙想的太空实验,让科学的种子在亿万青少年的心里生根发芽。从上世纪70年代开始,苏联、美国等国家相继向近地轨道发射了几代空间站,并将其作为开展科学实验的宝贵平台。今年,中国神舟十四号执行飞行任务期间,将全面完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的天宫空间站建造,建成国家太空实验室。未来,将有上千项科学实验项目在此展开。

为何万里迢迢飞去太空做实验?因为飘浮的空间站与地表差别很大,特别是具有地面实验室无法模拟的长期失重环境。在这里,地球上常见的物质会出现不可捉摸的物理特性变化,比如气体和液体中的对流和浮力现象消失,因不同密度所引起的沉淀和分层现象也全然不见。在褪去重力作用的面纱后,物质运动规律往往以超出想象的方式浮现,对这些规律的理解和应用也催生了微重力科学这一崭新领域。

太空实验精妙复杂,不仅可以阐释已知原理,还能检验前沿科学设想、推动科技应用。从这里获取的科研成果和对科学规律认知的点滴进步,都可能极大地推动生产力的发展。以“燃烧”为例,这是地球上一种常见的现象,但人类至今仍缺乏完整的燃烧过程理论,也无法完全控制它所产生的负面作用。在太空,火焰呈球形,有时甚至会“隐形”,这些奇特的表现为探究燃烧原理开辟了新途径。相关研究成果对于解决污染、火灾、全球气候变暖等问题意义重大。要知道,石油的燃烧效率每提高1%,全球每年就能节省几亿桶石油。同样,失重环境中几乎没有浮力引起的对流,科学家可以观察表面张力、磁力和电子力对液体和气体混合流动的影响,有助于解决目前石油和天然气输送管道建设中的技术问题。

在太空,人类还能制造出不可思议的特殊材料和工业产品。例如,在空间站里,将不同金属混合后可以得到特种合金,向液体金属注入气泡后可以得到类似软木塞的泡沫金属,采用悬浮冶炼方式能在不使用容器的情况下炼出纯度极高的金属产品。此外,在太空产生的晶体更大更纯净,制造出的玻璃纤维可达几百米长,这都是“地球制造”难以实现的。

当“太空制造”可以产生显著经济效益时,就有望建造“太空工厂”了。日前,美国航天技术公司“红线”宣布,将向俄亥俄州立大学电子显微镜与分析中心出售其在国际空间站制造的两克光学晶体,价格合每千克200万美元,这项交易标志着太空制造产品首次在地球销售。2021年11月,美国太空探索技术公司宣布与初创公司瓦尔达签约,计划于2023年在地球低空轨道上建造第一家“太空工厂”,利用太空环境优势生产高价值产品。

空间站独特的实验条件在诸多领域具有巨大潜力:这里有不受大气层影响的高远位置,为开展观地和望天实验提供得天独厚的视角,可以更好地研究地球环境、探索宇宙世界;这里能直接揭示太空环境对于生命过程的作用与影响,为地球上研发新的生物技术贡献灵感,为改善人类在太空的生活质量提供依据……随着航天事业的进步,航天员在轨时间和人数将大大增加,复杂的实验设备也能通过天地往返运输得到维修和升级,空间站的实验种类有望进一步拓宽。太空实验的不断拓展,将促进科学技术的跨越式发展,更好地造福人类。(庞之浩)

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责任编辑:陈慧伦
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