天宮二號裡有哪些科學神器?天宮二號

天宮二號裡有哪些科學神器?|天宮二號

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良 耳 制圖
  原標題:天宮二號裡有哪些科學神器?

  在浩瀚的太空中,天宮二號正翩然翱翔。作為我國首個真正意義上的空間實驗室,天宮二號上要進行各類空間科學實驗與探測項目,多傢單位負責研發的14項應用載荷,將在這個太空實驗室中大顯身手。它們有的要探索宇宙最深處的奧秘,有的要觀測地球上的海洋和大氣,有的要解決未來長途太空旅行時的食物供給問題……

  天宮二號裡有哪些科學神器?且隨《經濟日報》記者一探究竟!

  綜合材料實驗裝置:

  天宮二號中有一隻神爐,它叫“綜合材料實驗裝置”,由中國科學院上海矽酸鹽研究所牽頭,聯合國傢空間科學中心、蘭州技術物理研究所共同研制。

  這套多功能的通用型材料科學實驗裝置,由“材料實驗爐”“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構成,總重約27.6公斤,最大功耗不到200瓦,卻能實現真空環境下最高950攝氏度的爐膛溫度,足以將玻璃或銀條熔化。

  它要“煉制”18個實驗樣品,每個樣品都很“個性”,對爐子要求都不同。為此,“神爐”引入瞭多項自主知識產權的創新技術,解決瞭多溫區加熱、低功耗下的升溫保溫、溫度的精確控制等難題,讓它能煉制復合材料、金屬材料、有機高分子材料和晶體材料等很多神奇材料。

  它煉制的寶貝有啥神奇之處?太空中生長的晶體,探測能力讓地面生長的晶體望塵莫及。比如,普通CT檢查一般隻能確定直徑2毫米以上的腫瘤病灶,對於一些微小早期病灶視而不見,而安裝瞭太空產閃爍晶體的CT探測精度則會大大提升,真正做到上醫治未病。

  天宮二號伴隨衛星:

  一個好漢三個幫,天宮二號也有如影隨形的小夥伴。

  天宮二號伴隨衛星是一顆微納衛星,由中科院微小衛星創新研究院研制,是天宮二號試驗任務的一部分。它搭載瞭多個試驗載荷,具備較強的變軌能力,能靈活機動地開展空間任務。

  這個天宮二號的小夥伴,將承擔哪些任務?

  它是特技師。伴隨衛星在軌期間將開展伴飛試驗,從天宮二號在軌釋放,在空間輕松上演自由貼近、遠離的華麗動作大戲。同時配合空間站開展多平臺間的協同試驗,拓展空間應用。

  它是護航員。伴隨衛星具備高分辨可見光相機和寬視場仿生魚眼紅外相機,能全天時多角度監測空間碎片或溫度異常等空間站的潛在危險。它可作為主航天器的安全輔助工具,對主航天器進行工作狀態監測、安全防衛。

  它是攝影傢。伴隨衛星搭載瞭高分辨率全畫幅可見光相機,未來將在空間繞飛試驗過程中對天宮二號與神舟十一號飛船組合體進行高分辨率成像,成為天宮和神舟這對國民CP的自拍神器。

  寬波段成像光譜儀:

  天宮二號有個高定款數碼相機,能同時拍出可見光、紅外、光譜、偏振4種照片,它叫“寬波段成像光譜儀”,由中科院上海技術物理研究所的科學傢團隊耗8年心血研制而成。

  這款太空相機,將原定的2款不同功能太空相機合二為一,省空間、降重量,功能卻不弱反強。國際上,在一臺儀器上開啟可見近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外多光譜成像,同時兼具偏振探測功能的“智慧銳眼”,這是第一次!

  它有兩大任務。一是看海洋。它可以準確觀測海洋的水色和水溫。它提取到的海水葉綠素、色素濃度等信息,不僅可以準確監測到發生在任何海域的赤潮現象,還可以判斷出這片海域的浮遊生物量和初級生產力,指導漁民出海作業。它可以探測水溫、海冰和洋流信息,且具備很高的水溫變化探測靈敏度,大約是1攝氏度的1/40,比我國現有的海洋遙感器的探測靈敏度高瞭好幾倍。

  二是看大氣。由於光的偏振特性對大氣粒子具有獨特敏感性,偏振成像可獲得大氣氣溶膠和雲粒子的很多關鍵性能參數,對氣象預報、氣候預測有重要價值。簡單說,它能看霧霾,並輔助專傢們分析霧霾。

  液橋熱毛細對流實驗裝置:

  “玩水”是人們喜歡的太空遊戲。天宮二號裡,我國將首次開展液橋熱毛細對流的空間實驗!

  液橋是2個固體表面間連接的一段液體。太空微重力環境下,可以建立起很大尺寸的液橋。本次實驗將由科學傢們遠程操控,用天宮二號上搭載的液橋熱毛細對流實驗裝置完成。

  實驗中,液橋像一個“變形金剛”。裝置中的拉橋電機和註液電機,將密切配合,改變液橋的“高矮胖瘦”,既能變得“高大上”,又可以變得“土肥圓”,科學傢稱之為“體積比效應”。液橋中的液體在溫差誘導的表面張力驅動下,不同的體積比有不同的熱毛細振蕩現象——液橋會像有瞭“生命”一樣自由舞蹈,時而旋轉,時而左右橫步。而實驗箱內置瞭172組預定模式實驗曲線,隻要科學傢在地面指間一動,就可以輕易地完成液橋“172變”。

  它有什麼用?該項目主任設計師、中科院力學研究所研究員康琦說:“為生產出高質量的半導體材料,就要科學控制在晶體生長過程中浮力對流、熱毛細對流的影響,而太空特有的微重力環境將使科學傢深入剖析熱毛細對流的真實過程。”

  熱毛細對流箱工程,整體和光機結構設計及研制由中科院力學所完成,電控部分由中科院空間應用工程與技術中心完成。

  “天極”望遠鏡:

  人眼不能分辨光的偏振狀態,蜜蜂對偏振卻很敏感。天宮二號中有一隻“小蜜蜂”,用它的“復眼”捕捉遙遠宇宙中突然發生的伽馬射線暴的偏振性質,它就是“天極”伽馬暴偏振探測儀,簡稱“天極”望遠鏡。

  伽馬射線是有很強穿透性的電磁波。恒星臨終時發生劇烈爆炸,產生極強烈的伽馬射線輻射,持續時間長不過幾千秒,短不足百分之一秒,其亮度卻超過全宇宙其他天體的總和,輻射能量與太陽一生相當,猶如恒星最後的“生命之花”。這種集一生輝煌於一瞬的壯麗告別,就是伽馬射線暴。

  伽馬暴的起源及相應的物理過程,一直是天文學傢們研究的前沿課題之一。近十幾年來,對伽馬暴的研究取得長足進步,但一些基本問題還未解決。科學傢推測,對伽馬暴伽馬射線偏振的研究可為解決這些問題提供新線索,卻缺乏有效測量儀器。

  “天極”望遠鏡填補瞭這個空白,它是全球最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器,將高精度且系統性地測量伽馬射線暴的偏振性質,預期運行2年,探測約100個伽馬射線暴。

  “天極”望遠鏡由中國科學院高能物理研究所牽頭,瑞士日內瓦大學、瑞士保羅謝爾研究所等單位參加研制,是天宮二號搭載的所有實驗項目中唯一的國際合作項目。

  高等植物培養箱:

  兵馬未動,糧草先行。到瞭太空,也要關心糧食和蔬菜。

  盡管目前空間植物生長試驗已多次進行,但要在太空條件下成功實現糧食與蔬菜的生產,為宇航員長期空間生活提供食物來源,還需解決很多問題。比如,在空間微重力條件下植物生長無一定方向性,不能有效利用光能進行光合作用,產量大大減少。

  天宮二號中,就有兩種“植物宇航員”——擬南芥和水稻,它們生活在高等植物培養箱裡,將開展我國首次為期6個月的太空植物“從種子到種子”全生命周期培養。

  高等植物培養箱是身負重任的微縮版太空溫室,它通過光照周期、溫度、濕度、營養液供給調節等功能為種子的生長發育提供環境保障。本次實驗中,科學傢們將通過實時成像技術,記錄微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發、幼苗生長到開花發育的全過程,並下傳圖像進行“全程直播”。同時,特別構建瞭綠色熒光蛋白標記開花基因的擬南芥植株,將通過熒光圖像技術,在分子水平檢測開花基因在微重力情況下的表達動態。

  此項目中,中科院上海生命科學研究院植物生理生態研究所負責科學實驗樣品和內容的設計、實驗方案和實驗結果的分析,中科院上海技術物理研究所負責研制高等植物培養箱。

  空間環境分系統:

  情報機構一直給人以神秘和神通廣大之感。天宮二號上也有一個情報機構——空間環境監測及物理探測分系統,簡稱空間環境分系統。

  顧名思義,空間環境分系統就是用來收集空間環境相關情報的。在太空中,高能帶電粒子(質子、電子、重離子)組成的輻射環境、航天器軌道高度的大氣環境等都屬於空間環境的要素。能量很高的帶電粒子輻射可能導致航天器材料性能下降或損壞,也可能破壞宇航員的器官組織,嚴重時甚至有生命危險。

  中國科學院國傢空間科學中心空間環境探測研究室就研制瞭空間環境分系統。這個系統由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環境探測器和空間環境控制單元3臺儀器組成。帶電粒子輻射探測器身上的16個小探頭可以從16個方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子,實現艙外16個方向的電子、質子等帶電粒子的強度和能譜監測。軌道大氣環境探測器可以監測軌道大氣密度、成分及其時空變化等,告訴你是誰拖延瞭天宮的腳步。

  空間冷原子鐘:

  鐘表需要有多準?

  當計時器的誤差超過千分之一秒/天,電子通信網絡、高速交通管理、金融系統安全、電網並網發電等日常活動就將陷入混亂;當誤差超過十億分之一秒/天,衛星導航定位、導彈精密打擊等高精準度行為就會不同程度地偏離目標;而深空探測、引力波探測等科研活動,對時間精度要求就更高瞭。

  科學傢們找到瞭原子鐘。原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率,利用這一特點,人們制作出高精度計時裝置原子鐘。當前地面上投入使用的最準確的原子鐘,誤差已降到萬億分之一秒/天。

  但在地面上,由於重力作用,自由運動的原子團始終處於變速狀態,原子鐘精度受到限制。而在空間微重力環境下,原子團可以做超慢速勻速直線運動,獲得更高精度信號。

  中科院上海光機所的科學傢們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合,發展出空間超高精度冷原子鐘。他們研制的“空間冷原子鐘”已搭載天宮二號發射升空,這將成為國際上首臺在軌運行並開展科學實驗的“空間冷原子鐘”,有望在空間軌道上獲得較地面上的線寬窄一個數量級的原子鐘譜線,提高目前原子鐘精度,是原子鐘發展史上又一重大突破。

  三維成像微波高度計:

  天宮二號上,有個“三維成像微波高度計”,是國際上首個實現寬刈幅海面高度測量並能進行三維成像的微波高度計。

  傳統海洋微波高度計在海洋觀測中隻能獲得星下點3公裡左右觀測的范圍,即獲得沿軌跡方向星下點的一維海平面高度測量,天宮二號微波高度計則可實現35公裡至40公裡幅寬內的高精度三維海洋表面觀測,極大提高瞭觀測效率。

  這種能力有何作用?占地球表面積71%的海洋蘊藏著可促進人類社會發展的巨大寶藏,但也是很多重大自然災害發生的源頭。海洋災害的發生,往往伴隨著海洋環境的異常變化,如局部海洋區域的海面高度和海面溫度的異常升高。而海面高度的異常升高,例如“厄爾尼諾現象”,幅度僅為厘米級,隻有微波高度計能夠敏銳捕捉到這種細微變化。

  人類隻有深刻地、清晰地瞭解海洋環境的安全性,才能真正地開發和使用海洋資源。微波高度計項目的實施可為研究全球的海洋動力環境(包括海平面高度,海面風浪和洋流)提供直接的科學觀測數據,同時也為全球能量交換、氣候變化的研究提供不可或缺的科學依據。

  天宮二號微波高度計的設計和研制,由中科院國傢空間科學中心微波遙感技術院重點實驗室領銜完成。

  量子密鑰分配專項:

  自從人類開始說話以來,就有瞭說“悄悄話”的需要。密鑰就是通過對傳輸的信息進行加密,防止他人獲取信息內容,確保你的悄悄話悄悄說。

  不過,隨著技術發展,傳統密鑰不斷被破解,現在已經很難有一把安全的密鑰瞭。除瞭量子密鑰。

  量子密鑰的安全性基於量子物理的基本原理。作為光的最小粒子,每個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確復制兩大特性,使得存在竊聽就一定會被發送者察覺並規避,從而保證瞭信息的安全。

  現在,以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術,在我國已經逐漸完成瞭實用化,並形成瞭一定的產業規模。國際上首個全通型量子通信網絡、首個規模化量子通信網絡、首顆量子通信衛星,都是中國造。

  天宮二號上有一個“量子密鑰分配專項”載荷,以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標,通過天上發射一個個單光子並在地面接收,生成“天機不可泄露”的量子密鑰。此項目由中國科學技術大學和中科院上海技物所聯合研制。

  天宮二號的軌道飛行高度近400公裡,飛行速度約為每秒鐘8公裡。地面站的接收口徑約1米。用來生成量子密鑰的光子需要精準地打在地面站的望遠鏡上,就如同在一列全速行駛的高鐵上,把一枚枚硬幣準確地投到10公裡以外的一個固定的礦泉水瓶裡,難度可想而知。

  來源:經濟日報

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