“天宮課堂”第二課開講！

史 詩(shī) 攝

□ 科普時(shí)報(bào)記者 史 詩(shī)

瞧，裝滿化學(xué)溶液的水球瞬間結(jié)晶，竟變作晶瑩剔透的“雪球”！

這神奇而唯美的一幕發(fā)生在距離地球400公里的中國(guó)空間站里。

3月23日15時(shí)44分，“天宮課堂”第二課在中國(guó)空間站開講，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富為“地球人”又上了一堂精彩的太空科普課。

冰雪實(shí)驗(yàn)設(shè)想來(lái)自兩名中學(xué)生

這一次，王亞平化身“冰雪藝術(shù)家”，在宇宙星河間，勾勒出春日冰雪奇景。她先將過飽和乙酸鈉溶液慢慢擠出，懸浮于空氣中。隨后，她用一根小棍輕輕一碰，水球瞬間結(jié)晶，如同一個(gè)晶瑩剔透的小雪球。“這是由于過飽和溶液處于一個(gè)亞穩(wěn)定的狀態(tài)，遇到結(jié)晶核刺激就會(huì)打破平衡，出現(xiàn)結(jié)晶。”該實(shí)驗(yàn)科學(xué)指導(dǎo)老師傅雷解釋說。

傅雷透露，在飛船運(yùn)送過程中，過飽和溶液也可能會(huì)結(jié)晶失效，需要在太空進(jìn)行加熱恢復(fù)。過飽和溶液配制需要150克水和250克乙酸鈉，配制過程中要避免接觸空氣中的灰塵，以免影響結(jié)晶效果。

太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)的最初設(shè)想來(lái)自北京育才學(xué)校的劉雋麟和北京八中的焦子奧，他們都非常熱愛化學(xué)實(shí)驗(yàn)。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心科普教育主管張智慧向科普時(shí)報(bào)記者介紹，從同學(xué)們的想法到變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，是一個(gè)很復(fù)雜的過程，需要工程化思維及設(shè)計(jì)能力，還要實(shí)現(xiàn)裝置的系列地面驗(yàn)證和不斷改進(jìn)。“在我們的應(yīng)用工程專家的幫助和指導(dǎo)下，想法才最終成為現(xiàn)實(shí)。”

太空搭起長(zhǎng)長(zhǎng)的水“橋”

還記得第一課講過的“水的表面張力”知識(shí)點(diǎn)嗎？在水表面張力的作用下，王亞平和女兒一起折的紙花在水球中慢慢綻放，成就了溫馨又經(jīng)典的一幕。其實(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中，清晨植物葉片上搖曳的露珠，水龍頭下將滴未落的水珠，小時(shí)候我們用肥皂水吹的泡泡，這些都跟水的表面張力有關(guān)。看似柔軟的水，其實(shí)具有神奇的力量。

這次，王亞平給我們演示了液橋?qū)嶒?yàn)。她手持兩片塑料板，葉光富向塑料板表面分別擠上水，兩片塑料板逐漸接近，水便在板間連起了一座“橋”。王亞平將塑料板的距離拉遠(yuǎn)，“橋”也沒有斷開。

“表面張力傾向于使液體呈現(xiàn)球狀，在地面上，由于重力的作用，液橋不會(huì)太長(zhǎng)，液橋稍微長(zhǎng)一點(diǎn)、粗一點(diǎn)，重力就會(huì)把它拉垮。而在空間站的微重力環(huán)境下，液橋可以搭得很長(zhǎng)。”中科院物理研究所科普委員會(huì)主任魏紅祥告訴記者，這次展示的液橋有點(diǎn)像小朋友平時(shí)吹出來(lái)的長(zhǎng)長(zhǎng)的肥皂泡，因?yàn)榉试砼莺茌p，受重力影響較小，在空中能形成細(xì)長(zhǎng)的泡泡。水在空間站擺脫了重力的束縛，也能架通較遠(yuǎn)的兩個(gè)“橋梁”了。

緊接著，王亞平將裝有水和食用油的瓶子取出，神奇的是，在空間站里水油一直呈混合狀態(tài)。魏紅祥分析，在空間站，由于重力變小，浮力基本消失，所以就看不到水油分離了，但其物理性并沒有改變。果然，葉光富充“當(dāng)人體離心機(jī)”，快速旋轉(zhuǎn)并瓶子，產(chǎn)生了離心力，實(shí)現(xiàn)水油分層。“日常生活中，在醫(yī)院的化驗(yàn)科，醫(yī)生們經(jīng)常用這種類似方法分離血清。”

“頂流網(wǎng)紅”冰墩墩當(dāng)“助教”

壓軸出場(chǎng)的是“頂流網(wǎng)紅”冰墩墩！只見它“翻了個(gè)跟頭”跟大家“打招呼”。隨后，王亞平將冰墩墩拋向?qū)γ娴娜~光富，當(dāng)大家以為冰墩墩會(huì)翩翩躍起時(shí)，它竟然做起了勻速直線運(yùn)動(dòng)。

魏紅祥解釋，在地面上拋物，無(wú)論朝著哪個(gè)角度拋，由于重力的作用，物體最終還是要回到地面的。這也是“彈道曲線”的來(lái)源。“在空間站拋物，物體基本上會(huì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，直到碰到另外一個(gè)物體才會(huì)停下來(lái)。”

空間站的這些神秘柜子有啥用

除了在軌演示了科學(xué)實(shí)驗(yàn)，與地面同學(xué)互動(dòng)問答之外，航天員還重點(diǎn)介紹展示了核心艙內(nèi)的高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和無(wú)容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

為什么要在空間站做實(shí)驗(yàn)？這與空間站的特點(diǎn)密切相關(guān)。由于空間站能夠提供長(zhǎng)期的微重力等特殊研究環(huán)境，科研人員就可以發(fā)現(xiàn)被重力掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律。

空間站里的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜有什么作用？載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師王珂告訴記者，科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜安裝在密封艙內(nèi)，也就是核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙I和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙II內(nèi)，用于開展航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理等研究方向的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“每一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜相當(dāng)于一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)室，支持開展單學(xué)科或多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于把地面上數(shù)十平米實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度集成到一個(gè)兩立方米的實(shí)驗(yàn)柜空間里。”王珂介紹，實(shí)驗(yàn)柜采用模塊化設(shè)計(jì)，在軌可通過航天員操作更換實(shí)驗(yàn)單元或?qū)嶒?yàn)樣品，支持整個(gè)運(yùn)營(yíng)期上千項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目的滾動(dòng)實(shí)施， 大大降低科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施難度及準(zhǔn)入門檻，減輕科學(xué)家的工程負(fù)擔(dān)。

葉光富在太空授課中講道，在高微重力環(huán)境下，科學(xué)家利用冷原子干涉儀對(duì)原子進(jìn)行加速度測(cè)量比對(duì)，可以對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論中的等效原理進(jìn)行高精度檢驗(yàn)，這些都是基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的前沿性研究。

航天員展示的無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜又是什么？實(shí)驗(yàn)樣品可以在微重力環(huán)境下通過靜電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)懸浮穩(wěn)定控制，與容器的內(nèi)表面完全不接觸，所以叫做“無(wú)容器”。這樣就避免了容器材料對(duì)樣品的影響，可以更精確地測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣品的重要物理性質(zhì)。除了航天員提到的無(wú)容器開展的材料實(shí)驗(yàn)有助于制造新一代燃?xì)廨啓C(jī)葉片，以及研究太陽(yáng)系早期的熱環(huán)境外，空間應(yīng)用系統(tǒng)核心艙總體主任設(shè)計(jì)師于喜河補(bǔ)充說，在無(wú)容器平臺(tái)中，后續(xù)還要開展模擬合成隕石及月幔物質(zhì)的熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，加熱星云物質(zhì)進(jìn)行物性測(cè)量，研究太陽(yáng)系早期熱環(huán)境的制約因素，從而有望更好認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系早期的環(huán)境特征。

天宮未來(lái)將開展哪些實(shí)驗(yàn)

今年，隨著問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射，我們的國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室將初具規(guī)模。“問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)有4個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)有8個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，將開展更多領(lǐng)域的研究項(xiàng)目。未來(lái)，中國(guó)空間站將支持空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用等四大學(xué)科領(lǐng)域的上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。”空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心集成技術(shù)中心副主任張璐對(duì)記者表示。

“科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜非常厲害，我自己特別喜歡研究果蠅，以后我的果蠅也能被送到天上做實(shí)驗(yàn)嗎？”一位同學(xué)提問。

王亞平回答：“非常高興看到你喜歡生物學(xué)研究。生物學(xué)是我們空間站未來(lái)知識(shí)的一個(gè)重要領(lǐng)域。在我們即將發(fā)射的空間站問天艙里就有支持動(dòng)植物、微生物研究用的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜，我們不僅在里面做科學(xué)家研究的實(shí)驗(yàn)，也期待同學(xué)們的奇思妙想。我們的科學(xué)家也計(jì)劃將來(lái)把果蠅帶到空間站里進(jìn)行研究，所以你的想法是和科學(xué)家們不謀而合的。”

正如航天員葉光富所言，相信未來(lái)能夠看到更多來(lái)自青少年的科學(xué)設(shè)想在太空實(shí)現(xiàn)，天宮課堂也將激勵(lì)無(wú)數(shù)青少年追尋向往的遠(yuǎn)方。

標(biāo)簽： 科學(xué)實(shí)驗(yàn) 表面張力 中國(guó)空間站