張 偉

據(jù)悉，中國(guó)空間站第二次“太空授課”將于近期開(kāi)課。每一次的“太空授課”，都少不了那些精彩的太空實(shí)驗(yàn)。

1894年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描繪了一個(gè)環(huán)繞地球軌道的“太空小屋”，它實(shí)際上就是一座空間站，可以進(jìn)行天文觀測(cè)，還可以進(jìn)行植物栽培。

如今，空間站對(duì)大眾來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是個(gè)陌生的概念了。在空間站中，在太空微重力條件下，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律發(fā)生了很多變化，出現(xiàn)了在地面無(wú)法觀測(cè)到的一些奇特現(xiàn)象。

神奇的“冷焰”

在國(guó)際空間站上有一個(gè)有趣的火焰熄滅實(shí)驗(yàn)——在不同的壓力和氣體環(huán)境中燃燒庚烷和甲醇液滴。在大量的液滴實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家觀察到了令人意想不到的“冷焰”現(xiàn)象。在庚烷液滴燃燒后，明明已經(jīng)看不到火焰，是所謂的“熄滅”狀態(tài)，但是液滴卻在連續(xù)、快速、幾乎穩(wěn)定地蒸發(fā)，表現(xiàn)出與有可見(jiàn)火焰時(shí)相同的狀態(tài)，科學(xué)家將這個(gè)過(guò)程定義為“冷焰”。

普通可見(jiàn)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(duì)較低的溫度下燃燒。而且，二者的化學(xué)反應(yīng)完全不同，普通的火焰會(huì)產(chǎn)生煙塵、二氧化碳和水，而“冷焰”會(huì)產(chǎn)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(guò)，在空間站中“冷焰”則可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。“冷焰”的發(fā)現(xiàn)有助于提高燃油機(jī)的效率并減小污染排放，具有很大的應(yīng)用潛力。

“長(zhǎng)肉”的機(jī)器人

通常我們認(rèn)為的機(jī)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(hào)火箭從美國(guó)佛羅里達(dá)州升空進(jìn)入國(guó)際空間站，目的是在國(guó)際空間站中測(cè)試這種材料的抗輻射能力，未來(lái)它將被安裝在機(jī)器人身上，使其能夠在特殊環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。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(chǎng)的作用下，當(dāng)電荷逆轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)隨著電流收縮、擴(kuò)張、彎曲、束緊或膨脹，能夠模擬人類的肌肉運(yùn)動(dòng)。

人造肌肉除了能夠模擬人類的肌肉運(yùn)動(dòng)外還具有非常良好的抗輻射特點(diǎn)，所以這種材料被安裝到機(jī)器人身上，可以使其更好地完成太空探索的任務(wù)，也可以在核電站故障后執(zhí)行救援和維修維護(hù)任務(wù)。這種人造肌肉能夠承受的輻射極限和火星上的輻射相當(dāng)，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(huì)發(fā)生改變，在遠(yuǎn)高于水的沸點(diǎn)的135攝氏度的環(huán)境下也能很好地工作。

基于人造肌肉各方面的優(yōu)越性，研究人員將人造肌肉送往太空進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)其是否能夠適應(yīng)太空和外星球表面的惡劣環(huán)境。

精準(zhǔn)的太空鐘表

在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最高精度的空間冷原子鐘，日穩(wěn)定度達(dá)7.2×10-16秒，可以近似描述為3000萬(wàn)年誤差小于1秒。在地面上，由于受到重力的作用，經(jīng)激光冷卻和俘獲后的超冷原子團(tuán)始終處于變速狀態(tài)，宏觀上只能做類似噴泉的運(yùn)動(dòng)或者是拋物線運(yùn)動(dòng)，這使得基于原子量子態(tài)精密測(cè)量的原子鐘在時(shí)間和空間兩個(gè)維度受到一定的限制。在空間微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速、勻速直線運(yùn)動(dòng)，基于對(duì)這種運(yùn)動(dòng)的精細(xì)測(cè)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(hào)。因此空間冷原子鐘成為重要的高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)。

由于空間冷原子鐘可以在太空中對(duì)其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行無(wú)干擾的時(shí)間信號(hào)傳遞和校準(zhǔn)，避免了大氣和電離層多變狀態(tài)的影響，因此可以為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供授時(shí)服務(wù)，具有更加精確和穩(wěn)定的運(yùn)行能力；同時(shí)，可以支持開(kāi)展廣義相對(duì)論驗(yàn)證、基本物理常數(shù)測(cè)量、地球重力位測(cè)量等重大科學(xué)研究與應(yīng)用研究。

（據(jù)《中國(guó)國(guó)家天文》公眾號(hào)）

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