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巨型晶体与球形火焰:微重力科学|高温泵|热水泵

英国新科学家最近在图片栏目中刊登了一些微重力科学领域的图片和简单的文字介绍,(高温泵)其中很多内容与微重力流体力学有关,我们转译过来与大家分享一下:

1、Marangoni对流

在没有重力的情况下,表面张力成为流体物理的主宰。在这张在空间站拍摄的照片中,水好像被一个看不见的勺子搅动后流出金属圆环。这种搅动效应是用闪光灯对水不均匀加热后形成的——水面的温度差使表面张力失去平衡,zui终让水发生旋转运动。类似这样由表面张力诱发的运动被称之为“Marangoni对流”。这种效应在地球上没有这么明显,但还是可以在诸如钢水冷却之类的环境下观察到。

2、微重力火焰

微重力条件下的火焰的形状更圆,同时火焰温度更低。在这张对照图中,正常重力条件下产生的火焰(左侧)和微重力环境下的火焰(右侧)之间的区别可谓一目了然。与在地球上不同的是,微重力条件下的低密度热气体不会上浮。结果其它一些物理过程,比如粒子从高温区向低温区的扩散成为主要的流动机理。关于这一现象的研究揭示出这种现象背后隐藏的更多的物理机理,对研发用于未来太空探索任务的灭火技术大有帮助。

3、巨型晶体

在微重力环境下,晶体容易长得更大,比如图中的沸石立方体晶体就是一个例子。这是因为构成晶体的分子原本溶解在溶液中,随着晶体的不断增长,溶质不断析出,致使液体密度降低。在地球上,靠近晶体的低密度液体由于浮力作用而向上运动,在实验容器内形成对流,而对流的存在使得晶体表面容易产生裂缝,导致晶体不易长大。在微重力条件下,由于没有浮力作用,这种效应并不存在。(热水泵)制备更大更纯净的晶体可以帮助科学家更多地了解晶体的基本结构和特性。比如沸石里面布满微孔,可用于过滤和储存物质,例如燃料电池中使用的氢。

 

4、对胚胎的影响

1994年,青鳉鱼搭乘“奋进”号航天飞机进入太空,它们是世界上zui早被用于研究胚胎在太空环境下发育的动物种类之一(图中是日本青鳉鱼的胚胎)。重力在动物生命周期之初扮演怎样重要的角色仍旧是一个大谜团。在太空出生的青鳉鱼长大后的样子与在地球上出生的同类类似。而对从老鼠到有爪蟾蜍的实验显示,失重状态对它们的早期发育产生重要影响,很多实验动物在这种条件下更易于出现畸形。

 

5、“水熊”

在太空飞行过程中,失重并不是*一个发生变化的环境因素,它们还必须经受更大剂量的太阳和宇宙辐射考验。青苔和细菌在没有空气和强辐射的环境下仍能够生存下去。迄今为止,只有一种动物能够创造这种生命奇迹,它就是在显微镜下才能看到的无脊椎动物,也被称之为缓步动物的“水熊”。在2007年欧洲进行的一次火箭实验中,一组缓步动物被暴露在太阳强紫外线辐射和太空真空环境下,另一组则不受辐射侵害,仅暴露在真空环境下。在经受辐射的一组中,只有少数缓步动物能够生存下来;而在不经受辐射只暴露在真空环境下的一组中,幸存下来的缓步动物则很多。

 

6、对人生理的影响

太空研究的很大一部分内容是研究微重力对人体生理的影响。研究证明自由下落能够影响宇航员对尺寸和距离的判断,同时还造成红细胞和肌肉质量减少,但zui大的影响是对骨骼的影响。即使在高强度锻炼计划下,绝大多数人身体一些部位(例如臀部)的骨量在每个月的太空飞行中平均也要减少大约1.5%左右,与绝经后女性在一年内的流失量差不多。研究人员正设法降低这种影响,其中一部分内容是利用垂直的跑步机模拟微重力环境。

 

7、降低人体免疫力

失重可能使人体被感染的危险成倍增加。太空飞行似乎能减弱免疫系统,失重可能让某些微生物变得比在地球上更加致命。在2006年“亚特兰蒂斯”号航天飞机的一次飞行中,鼠伤寒沙门氏菌(图中以红色显式)杀死的老鼠数量接近地球环境中的三倍。此外,微重力环境同样会提高耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的毒性,这种细菌是一种对抗生素有超强耐受力的细菌,是在医院中引起感染的zui常见的细菌。目前,一家名为Astrogenetix的公司正在研究这种毒性提高现象,他们希望能将相关因素孤立出来,以便研发相应的疫苗。

 

8、辐射对材料的影响

这个手提箱大小的试验箱看上去像一个*化妆包,但实际上这个试验箱是用来测试辐射对材料的影响的。试验中测试的材料包括陶瓷、孢子等很多材料。*个“国际空间站材料试验箱(MISSE)”于2001年被安装在空间站上。今年的9月1日,“发现”号航天飞机上的宇航员从空间站上拆除了第6组实验箱。NASA在最近发表的一份有关空间站科学的报告指出,MISSE可能是迄今为止国际空间站上成果最多的实验设备。

 

9、微小卫星

国际空间站还以主人身份接待了一大把微小卫星,这些微小卫星就是一些足球大小的电子装置,这项工作是一个名为“同步位置保持与重定向卫星(SPHERES)”项目的一部分。图中这个三重奏是用来测试卫星在zui小人工干预下进行编队飞行的控制程序的。独立的几个卫星相互协调起来就能成为功能强大的太空望远镜。更好的控制程序能够让飞船自动对接,这种能力在需要将各种物体在轨道上组装起来的时候非常有用。

 

10、失重环境下展示回旋镖

宇航员经常在微重力环境下进行各种演示,以便与大众分享太空飞行给人带来的激动心情,以及展示自由落体状态下物体的性质。2008年,日本宇航员土井隆雄在失重环境下抛出一个回旋镖,看它能否飞回自己手中。结果回旋镖飞了回来,这是因为回旋镖环形的飞行线路是由回旋镖上空气动力不平衡决定的,而不是重力决定的。2009年初,另一位日本宇航员若田光一按照公众的建议完成了一系列任务,其中包括驾驶飞毯、叠衣服以及滴眼药水。

 

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