【创作培育计划】我们为什么需要空间试验站

我们知道梦天舱要发射了，梦天舱发射里面含有大量的科学实验设施，包括流体燃烧，材料基础，物理方方面的一些实验柜。但是我们为什么要利用空间站开展科学实验？我们今天说说空间站实验，就是我们要在空间站开展大量的科学实验。

在空间站开展科学实验有几个特别的优势，第一点就是我们空间站能够提供长期的微重力辐射等研究的条件。我们知道地面有很多设施包括洛塔，包括探空火箭可以提供短时的微重力条件，但是我们很多实验就没法做了，包括一些基础物理实验。所以我们通过空间站这些微重力条件来做实验。

但是为什么要利用微重力条件？是因为微重力条件下会有一些效应。首先我们可以观察到浮力对流消失了。浮力对流消失了，就有一些现象呈现出来。比如说沸腾，在地面通过浮力对流小气泡上升，然后慢慢的水就开了，不断的小气泡不断的往上升。但是在太空当中小气泡会越来越大，最后直到破掉，所以在太空这个水就没法开了，在太空开水就变成很困难的一件事。

第二个微重力效应就是我们的沉淀和分层。油和水很难分离，气和水也很难分离，会出现这些现象。这样我们会联想到航天员会不会打嗝？我们知道在地面的打嗝的原理是气和水由于重力的作用分离气涌上来，这样就会打嗝。但是在太空当中气和水很难分离，所以航天员打嗝的话，就是气和水一块涌出来的。

当然微重力效应还有一个，就是压力梯度极大减小了。举例来说，当我们游泳的时候，我们往水下潜就会发现胸部受到的压力会越来越大。但是在太空当中的压力梯度是一样的，就不会感觉压力越来越大。所以说我们利用微重力这些特性，就可以开展大量的物质的一些本质规律的研究。

当然在空间站做实验，第二个优点就是有人参与。因为有航天员的参与，航天员可以帮助我们做实验，操作实验，帮助我们做判断，帮助我们做很多，安装设备等等。所以说有人参与是太空实验一个重要的方面。

然后第三个优势，就是我们有可以实现天地往返的运输。我们通过火箭飞船，能够定时的把我们所需要的实验样品，还有我们的实验装置送上去，同时把要研究的样品带回来，在地面做深入的研究。所以通过这些条件，天地往返运输有人参与，我们能够更好的开展太空的研究。

当然另外一个方面，就是说我们在太空的特定的轨道高度上，也适合开展一些天文地球观测等等。我们知道地球上有望远镜，比如说我们的fast，超大的一个射电望远镜能够进行天文观测。但是由于大气的吸收和影响，很多波段的信号是到不了地球的，比如说伽马射线，红外线，有些紫外线很难到达地球。所以说我们就需要把我们的望远镜送到太空当中，在太空当中能够看到清晰的宇宙的图像，能得到天文的这些现象。

所以利用这些特性，我们开展大量的科学研究。梦天舱发射以后我们要开展几方面的研究，比如说流体方面我们要研究浮力对流消失以后，到底什么现象会出现。科学家们发现出现一种表面张力驱动的对流，又称为Marangon对流。由于温度差会影响它的表面张力，产生一种对流。但是这种对流不稳定，如果是温度差比较大的时候，就会出现一种混震荡，甚至到缓流。所以要在太空当中研究这些流体的特殊现象。

因为燃烧由于浮力对流消失了，要进行燃烧的话就不是浮力对流驱动的了，就变成扩散驱动的，所以说火焰就不是蜡烛状的火焰，而变成一个球形的火焰，这样温度也会比较低一些。正是这样的研究使得科学家们发现了一种冷火焰的现象，就是非常低的温度，大概在地面的1/3的温度下，这个物质还在进行燃烧，而且排放更少。这一些有利于我们开发清洁的物质为比较新的一些能源。

另外在空间材料方面，由于浮力对流消失了，沉淀分层去掉以后，我们材料就可以能够更好的进行加工。很多材料，可以更好的混合在一起进行加工。比如说我们现在非常火的高烧材料，也就是5种金属合到一起产生的合金材料，它有非常好的性能，包括耐腐蚀性，耐高温，还有高强度。在太空当中没有重力的影响，这些材料不会分开，可以很好地混合在一起。这样我们可以做出性能非常优良的一些高烧材料，另外还有多孔材料，还有一些纳米材料等等。在太空当中利用这些特性，我们可以产生出地面上生产不出来的一些新材料，甚至国家急需的材料。

当然在还有一方面就在基础物理方面。我们操纵原子，我们知道原子在地面上，由于重力的作用很难聚成团而去，对它进行操作操控的话是有一些难度的，因为它要克服重力的影响。但是在太空当中我们就很容易把原子团聚起来进行操作。通过激光这些手段进行冷却，这样就可以把原子团冷却到非常低的温度，到PK量级，PK量级就是接近绝对零度，在零下273度左右。在这个温度条件下就会发现新的物理现象，在这个条件下原子间的偶极作用也极大增强了。

所以我们利用这些特性，来研究一些量子的新物态，比如说量子自旋液体。大家听起来很高深，它到一定温度以后它既不是固体，也不是液体，属于一种量子态，相当于是一种量子拓扑态。通过量子拓扑态的研究，我们可能能发展出一些量子计算机的器件，一些技术，为我们长期的量子计算机的应用奠定很好的基础。

所以我们在太空开展这样一系列大量的研究，一方面是取得一些科学成果，相当于为人类的知识保护贡献出一些新的内容；另一方面我们可以带动我们生命材料，流体燃烧，相关这些领域的一些技术进步，从而能造福我们人类的生活。

审核：刘勇 中国科学院国家空间科学中心 研究员

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