在这个神奇的实验室，地球上的法则不再适用

1894年，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基描绘了一个环绕地球轨道的“太空小屋”，它实际上就是一座空间站，可以进行天文观测，还可以进行植物栽培。如今空间站对大众来说已经不是个陌生的概念，然而在空间站中，又有哪些地面所没有的优势，究竟能够做哪些在地面上可望而不可及的实验呢？太空里有哪些奇特的物理现象呢？

在太空微重力条件下，物质运动的规律发生了很多变化，出现了在地面无法观测到的一些奇特现象，涉及流体、燃烧、材料、基础物理等各个方面。

NASA宇航员蒂姆·科普拉在国际空间站实验室的微重力科学手套箱中执行操作。版权／NASA

/ 太空中沸腾出现大气泡

在正常重力情况下（左图），浮力的作用使得气泡克服表面张力从加热器表面向上升起。在微重力（右图）中，浮力很弱，由于表面张力的存在，气泡通常附着在加热器上，并且由于来自加热器的能量连续输入，会产生更多的蒸汽，气泡变大。

在太空中浮力对流基本消失了，对于水加热的情况，高温的水不能升起，而是靠近热源，越来越热。同时，远离热源的水保持相对较冷。当加热的流体达到其沸点时，气泡不会上升到表面。相反，形成的气泡聚合成位于加热器表面上的一个大气泡。在泡沫中蕴藏着珍贵的热能，但这些热能被困在气泡中。通过在空间站上实现变重力的沸腾实验，科学家可以研究影响沸腾的各种因素，从而有可能推动改进冷却系统设计，提高制冷技术的效率，这将对全球经济和环境产生积极影响。

/ 太空中燃烧的球形火焰

火焰在地面（左图）和在微重力环境（右图）中的对比。

在地球上，当火焰燃烧时，它会加热周围的空气，在重力的作用下，更冷、更密集的空气吸引到火焰底部，从而排出升起的热空气。这种对流过程将新鲜氧气输送到火中，向上流动的空气使得火焰形成液滴形状并使其闪烁。但奇怪的事情发生在太空中，没有重力，热空气膨胀但不会向上移动。由于氧气的扩散，火焰持续存在，氧气分子随机飘入火中来维持火焰，其火焰会向四周伸展，形成球形火焰。

但是由于氧气分子飘入火焰的量相对地球环境中要少许多，而且受到周围废气的阻碍，燃烧不够充分。所以太空燃烧会比在地球上更缓慢。正常重力条件下产生的火焰和微重力环境下的火焰之间的区别可谓一目了然。科学家在微重力环境中研究燃烧过程，进一步揭示了重力掩盖下燃烧和传热的规律，进而帮助提高燃烧效率和清洁能源研发。

/ 神奇的“冷焰”

国际空间站发现的冷焰现象。

在国际空间站上有一个有趣的火焰熄灭实验，是在不同的压力和气体环境中，燃烧庚烷和甲醇液滴。在大量的液滴实验中，科学家观察到了令人意想不到的 “冷焰”现象。在庚烷液滴的燃烧后，明明已经看不到火焰，是所谓的“熄灭”状态，但是液滴却在连续、快速、几乎稳定的蒸发，表现出与有可见火焰时相同的状态，科学家将这个过程定义为“冷焰”。

普通可见火焰的燃烧温度一般在1500开尔文（1226.85摄氏度）到2000开尔文（1726.85摄氏度），“冷焰”则是在500开尔文（226.85摄氏度）到800开尔文（526.85摄氏度）的相对较低的温度下燃烧。而且，他们的化学反应完全不同，普通的火焰会产生烟尘、二氧化碳和水，而“冷焰”会产生一氧化碳和甲醛。“冷焰”在地球上也存在，但它们只是一闪而过。在空间站中，“冷焰”则可以持续很长时间。“冷焰”过程的发现可应用于燃油机的研发，有助于提高燃油机的效率并减小污染排放，具有很大的应用潜力。

/ 机器人也可以有肌肉

太空人造肌肉。

当我们想起机器人的形象时，可能会想到复杂的结构机构、电机和控制器，一堆的金属。2015年4月，搭载人造肌肉材料的猎鹰9号火箭从美国佛罗里达州升空进入国际空间站，目的是在国际空间站测试这种材料的抗辐射能力，未来它将被安装在机器人身上，使其能够在特殊环境中执行任务。这种人造肌肉是由电活性聚合物制成的材料，是一种新型智能高分子材料。在外加电场的作用下，当电荷逆转时，它会随着电流收缩、扩张、弯曲、束紧或膨胀，能够模拟我们自身肌肉的运动。

人造肌肉除了能够模拟我们的肌肉运动外还具有非常良好的抗辐射特点，所以这种材料被安装到机器人身上，可以帮助人类更好地探索太空，例如执行火星任务，也可以在核电站故障后执行救援和维修维护任务。这种人造肌肉能够耐受人类所能承受的辐射极限的20倍，和火星上的辐射相当，在辐射测试45小时后仍然保持了很好的导电性、强度和耐用性。同样，人造肌肉在零下271摄氏度的条件下也不会发生改变，在远高于水的沸点的135摄氏度的环境下也能很好地工作。

基于人造肌肉各方面的优越性，研究人员将人造肌肉送往太空进行测试，检验其能够适应太空和外星球表面的恶劣环境。未来，这些人造肌肉可以用来制作人类的假肢，可以像我们自己的身体一样做微妙的动作，为受伤的人恢复行动能力和自由度。同时，安装了人造肌肉的机器人可以在潜在的核灾难和其它危险区域，执行需要精细运动技能的任务。

/ 精准的太空钟表

宇航员蒂姆·皮克正在进行实验硬件配置。版权／ESA

在天宫二号空间实验室中，科学家实现了国际上最高精度的空间冷原子钟，日稳定度达7.2 10^-16秒，可以近似描述为3000万年误差小于1秒。在地面上，由于受到重力的作用，经激光冷却和俘获后的超冷原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。在空间微重力环境下，原子团又可以做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号。因此空间冷原子钟成为重要的高精度时间频率系统。

由于空间冷原子钟可以在太空中对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，从而避免大气和电离层多变状态的影响，因此可以为全球卫星导航系统提供授时服务，具有更加精确和稳定的运行能力；同时，可以支持开展广义相对论验证、基本物理常数测量、地球重力位测量、空间冷原子干涉仪、冷原子陀螺仪等重大科学研究与应用研究。

——本文节选自《中国国家天文》2022二月刊

作者简介 /

张伟，中国科学院空间应用工程与技术中心研究员。

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来源：中国国家天文

编辑：just_iu