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太空中影响信鸽孵化能力吗?看看这些孩子脑洞大开
来源:北京晚报 2018-08-07 10:13:36

       多种微重力环境下晶体怎么生长

  在“2018年空间站搭载青少年科学实验方案征集活动”中,孩子们表现不俗,他们的参选项目各有特色,给评选专家留下深刻印象。

  北京四中高一道元班的林凯珩以及同学田秋实和王砚弈带来的方案聚焦于晶体生长这一物理现象。林凯珩说,晶体是内部质点在三维空间内重复排列的固体。说白了晶体就是由大量微观物质单位按一定规则有序排列的结构。晶体有一个比较有趣的特性,也就是自限性,自限性指的是晶体可以在适当条件下自发的形成几何多面体的性质。而我们日常生活中常见的食盐、蔗糖、水晶、萤石和很多的金属都具有这种性质,而它们也都被称为是晶体。

  在重力环境下,晶体生长会出现什么差异,这是林凯珩和同学们所关心的。通过查找资料,他们了解到科学家们从太空技术刚一成熟起便开始进行各种结晶体的生长试验,发现太空中生长的晶体具有特殊的结构,比如氯化钠晶体,通过肉眼就能看出这个微重力结晶体与地面结晶体的结构差异。于是人们从最早研究氯化钠、硫酸铜结晶逐步扩展到各种复杂的化合物结晶。并在半导体晶体、特殊功能晶体、非线性光学晶体和蛋白质晶体等方面取得了很多不错的成果。同时科学家们还通过离心机,进行了从1G到上万G的重力环境下生成晶体的试验。

  “但是我们发现,0到1G这个区间内晶体生长的研究是完全空白的。所以我们设计了本试验来探究不同微重力环境下晶体生长的规律与差异。”

  在林凯珩和同学们提交的方案中,他们安装在太空站的离心机直径为60厘米可产生0.01G到2G的重力,其研究任务集中在低重力环境下的植物生长。

  “我们计划通过空间试验收集有效数据,验证之前的猜想,填补低重力晶体生长研究的空白,并归纳可能存在的低重力下晶体生长的递变规律,为晶体的进一步研究提供参考。这一实验也有助于完善微重力物理、化学等领域的理论研究,并有可能诞生应用到生产中的结论。”

  林凯珩告诉记者,如果这一实验付诸实施,将会是国内首次进行空间离心机的设计与制造,这一离心机还可以成为空间站的永久设备,为其他需要低重力环境的实验提供试验平台。

  悬浮液粉在太空中是如何变化的

  北京市丰台区东高地第三小学的李姝妤同学开学将升入丰台十二中,她提交的方案是“微重力下悬浮液粉反应的物理现象”。

  “在太空中,大部分现在做的实验都是力学方面的,那么在其他学科方面,微重力对他们的实验现象有没有影响呢,就做一个化学实验吧。” 李姝妤说,她的实验方案是受到航天员刘洋所做的实验启发的。

  在地面上的重力作用下,装在瓶中的小苏打粉体堆积在瓶内底部,滴入的醋也会落入瓶底的小苏打粉体中,两者接触发生化学反应,产生的气体会持续在液体中鼓泡,直至反应完成。将反应产生的气体收集并导入瘪气球中,气球会鼓胀起来。当引力场消失时,瓶中的小苏打粉体是堆积在瓶底还是会悬空弥散在瓶内?注入的醋液滴是滴入瓶底还是会悬浮在瓶内?醋液滴周围接触小苏打粉反应后产生的气体能否鼓泡?产生的气体是围绕液滴形成气泡,还是直接进入气相环境?液滴周围不均匀的放气反应是否会推动液滴四处乱窜?气球收集气体后能否鼓起?这些需要通过太空实验给予回答。

  李姝妤还为自己的实验设计了专门的实验装置:以透明的塑料瓶为容器,底部装入小苏打粉体,侧壁将装入了醋液体的注射器针头插入瓶体中部小苏打粉体上部。塑料瓶口用塞子塞住,塞子中间用细管将瓶内与瓶外的瘪气球连通,气球拴在探出瓶塞的细管上。瓶塞与瓶口、瓶塞与细管、细管与气球及针头与瓶子间进行密封处理,防止漏气。所有上述物品都置于一个透明有机玻璃箱内,塑料瓶、支柱固定在有机玻璃箱底部,注射器活动部分置于箱外,以便可以在箱外推动注射器使醋液体进入瓶内。注射器活动部分都有箱外顶杆固定,防止进入太空前发生位移或对其他物体造成磕碰。箱体嵌入并固定两个录像机,分别记录瓶内和气球的情况。

  通过这一实验会得到什么样的结论呢,李姝妤说,一是能够帮助同学们对微重力环境中粉体、液滴的存在形态和悬空液滴与粉体化学反应产生气体等现象进行全面了解,此外为初中基础化学教材补充“微重力情况下化学反应中的物理现象”的内容。“如果下一回航天员再做太空演示实验时,可以考虑我的方案。”

  中学生设计的小卫星能做什么

  北京市十二中的王喆、高泽宇、王艺霏是学校“小卫星工作室”的成员,他们在老师的帮助下准备研制一台智能纳米小卫星,时间进度都有了:今年底完成“工程样机”;明年第三季度完成“智能纳米小卫星正样星”随时准备搭载升空。三名同学提交了详细的实验装置图,他们说,小卫星分为卫星电源分系统、卫星通信分系统、卫星星务分系统、卫星姿控分系统等部分组成。其中电源分系统由太阳电池阵、锂离子蓄电池组及能源控制板组成。太阳电池方阵采用体装式和展开式结合,采用了锂离子蓄电池作为储能电源,这是目前国内航天器中采用的最新型储能电源。而其他各系统的设计之复杂,几乎让人难以相信其出自中学生之手。

  谈到这一方案的市场前景,三名同学俨然是经验丰富的市场运作专家,他们说,可以模拟这一卫星设计一套灵活的、可拼装的开放式的纳星零部件,对于开展青少年航天DIY活动有重大意义和市场前景。同时一定要借鉴现有的成熟技术,把手机厂商拉进来共同开发系列产品。此外,一定要避免研究室的工作模式,采取订单模式。就是根据总体要求,采购部件,宁可给供应商多一些开发费用,也不要事事都自己干。他们还建议成立一个航天科技开发的松散合作组织,致力于合作开发生产提供各种组装航天器的DIY零部件和解决方案。

  几个中学生还设想组织全国性的航天设计、制作大赛;在网上开一个航空航天爱好者论坛,鼓励爱好者设计、创作各种零部件、软件,逐渐形成一个网上科技爱好者集市……

  太空中影响信鸽孵化能力吗

  北京海淀实验小学的李澜翔、李澜怡是对双胞胎,和同学郑珺宜组成的设计小组获得了征集方案活动的一等奖,孩子们很是兴奋。谈到方案的设计灵感,李澜怡说,每当大型的庆典时都会放飞成千上万来自祖国各地的和平鸽,它们会飞得很高很远,但最终都会找到自己的家。她很奇怪这个现象,爸爸告诉她,是因为鸽子具有敏感地磁进行导航的能力,所以才能在茫茫大地上找到目标。

  “鸽子是和平的象征,更是人类的朋友。探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。人类和平利用太空的征途上能不能与我们的这个朋友相伴,由此我们想到了这个课题。”

  在老师指导下,孩子们确定了实验目的,那就是:验证空间环境对信鸽孵化能力的影响及对信鸽飞行能力的影响和信鸽导航能力的影响。

  由于地面和空间站的环境不同,因此要设置干预组进行观测。孩子们的方案是用干预组鸽子蛋和对照组鸽子蛋进行对比,用音视频和仪表记录全过程。

  “由于鸽子在地面孵化周期约为18天,在空间站实现破壳孵化、验证实验目的,是有风险的。因此根据科学家的建议,我们考虑每隔一段时间,对鸽子蛋进行‘冻龄’,也就是对孵化的状态进行保持,待有货运飞船或者载人飞船返回地面时,对各种状态的鸽子蛋进行‘解冻’后孵化实验。我们还考虑,最后一部分鸽子蛋将尝试在太空中进行破壳。”

  为了使实验更有意义,孩子们设计从全国各地征集同一时间生产的鸽子蛋作为实验样本,这些地方包括丝绸古道(新疆)、雪域高原(西藏)、京畿腹地(北京)、岱岳之巅(山东)、松花江畔(黑龙江)、西子湖边(浙江)、万泉河谷(海南)和阿里山间(台湾),分别代表中国的四面八方,所处重力场、地磁场并不完全相同,也与空间站微重力环境和交变磁场环境显著不同。每个地方各取10个蛋,5个作为干预组,做好从地面到太空的保鲜后进入太空,另5个作为对照组进行地面孵化。

  这几个孩子说:“因为这一方案通俗易懂,目标层次分明,更能吸引科学爱好者特别是低龄的小朋友关注太空,而通过征集全国各地的鸽子蛋,可以引发海峡两岸的中国人,乃至全世界的华人对发展航天事业、和平利用太空的热情和关注,有利于提升民族凝聚力。而实验过程中涉及许多科学难题,如‘冻龄’、‘空间导航能力的验证’等,这也是全人类共同面临的难题,无论实验结果如何,都会给我们的科学研究带来更多的数据,即便有一些不成功、不完善的地方,也会引起科学家的兴趣,对相关的课题进行深入研究,逐步走向成功。”

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