張 偉
據悉，中國空間站第二次“太空授課”將于近期開課。每一次的“太空授課”，都少不了那些精彩的太空實驗。
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，空間站對大眾來說已經不是個陌生的概念了。在空間站中，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。
神奇的“冷焰”
在國際空間站上有一個有趣的火焰熄滅實驗——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。在庚烷液滴燃燒后，明明已經看不到火焰，是所謂的“熄滅”狀態，但是液滴卻在連續、快速、幾乎穩定地蒸發，表現出與有可見火焰時相同的狀態，科學家將這個過程定義為“冷焰”。
普通可見火焰的燃燒溫度一般在1226.85攝氏度到1726.85攝氏度，“冷焰”則是在226.85攝氏度到526.85攝氏度相對較低的溫度下燃燒。而且，二者的化學反應完全不同，普通的火焰會產生煙塵、二氧化碳和水，而“冷焰”會產生一氧化碳和甲醛。“冷焰”在地球上也存在，但它們只是一閃而過，在空間站中“冷焰”則可以持續很長時間。“冷焰”的發現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。
“長肉”的機器人
通常我們認為的機器人，是由一堆金屬組成的。2015年4月，搭載人造肌肉材料的獵鷹9號火箭從美國佛羅里達州升空進入國際空間站，目的是在國際空間站中測試這種材料的抗輻射能力，未來它將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，它會隨著電流收縮、擴張、彎曲、束緊或膨脹，能夠模擬人類的肌肉運動。
人造肌肉除了能夠模擬人類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，可以使其更好地完成太空探索的任務，也可以在核電站故障后執行救援和維修維護任務。這種人造肌肉能夠承受的輻射極限和火星上的輻射相當，是人類所能承受輻射的20倍。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，研究人員將人造肌肉送往太空進行測試，檢驗其是否能夠適應太空和外星球表面的惡劣環境。
精準的太空鐘表
在天宮二號空間實驗室中，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，經激光冷卻和俘獲后的超冷原子團始終處于變速狀態，宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動，這使得基于原子量子態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號。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他衛星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準，避免了大氣和電離層多變狀態的影響，因此可以為全球衛星導航系統提供授時服務，具有更加精確和穩定的運行能力；同時，可以支持開展廣義相對論驗證、基本物理常數測量、地球重力位測量等重大科學研究與應用研究。
（據《中國國家天文》公眾號）
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