“天宫课堂”再度开课！专家解读太空实验背后的奥秘

“天宫课堂”再度开课！3月23日下午，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站顺利开讲，这是中国空间站第二次太空授课，也是中国航天员第三次进行太空授课。失重的授课环境下，不少原本在地球上只能靠想象或者计算机模拟来完成的实验画面，在太空中真实“上演”，让听课学生大呼“神奇”。

太空冰雪实验：

温热的“结冰”，地球上其实也能实现

“天宫课堂”的头一个实验是“太空冰雪”的诞生。航天员王亚平挤出一滴液体，用一根小棍在液体里轻轻一点，球体瞬间开始“结冰”，几秒钟就变成通体雪白的“冰球”。王亚平用手摸了摸“冰球”，它竟然是温热的！

这到底是怎么回事？南京工业大学化工学院副院长陈小强教授告诉记者，实验的“玄机”其实就在于王亚平挤出的这滴特殊的液体。这是一种名叫过饱和乙酸钠溶液的液体，航天员点进液体的小棍子上其实沾着一些晶体粉末，晶体粉末随着小棍“点进液体”的过程进入液体内，成为了过饱和乙酸钠溶液结晶的“种子”，从而引发了溶液的结晶，析出三水合乙酸钠晶体，也就是我们见到的“结冰”外表状态。

“冰球”听上去就挺冷的，为什么还会是温热状态？陈小强解释，过饱和乙酸钠溶液在结晶的过程中会释放热量，航天员摸到的“温热”，其实就是结晶过程所释放的热量。

这个实验听上去玄乎，其实，我们在地球上也能做。“将小苏打或者食盐溶在水中，液体达到一定的过饱和状态时，放入一些晶核，同样可以实现结晶这一过程。”陈小强介绍，实验虽然不算罕见，但对于实验环境的纯净要求却有点高。“航天员王亚平从袋子里挤出过饱和乙酸钠溶液时，曾先后试验了两次，‘水球’都直接在袋子的管口结晶。这就说明，液体到达管口时，其实已经有晶核进入，提前开始了结晶这一过程。”

“结晶是化学中一个重要的实验过程。”陈小强说：“这个实验在太空中进行的优势在于，由于失重环境，结晶过程可以均匀分布在液体内部，但在地球上，结晶受到重力影响，晶体生长的质量可能不如空间晶体生长那么完美。”

液桥演示实验：

太空中，纯水都能当“浆糊”用？

这一次的“天宫课堂”，特别注重了太空中与地面实验的差异和对比。因此，在液桥演示实验中，观众们清晰的看到了这样的对比画面：同样是在两块塑料板上各滴一滴纯水，然后将塑料板滴上水的一面合起来再分开，空间站里的两块塑料板就像被水“粘”起来了一样，两滴水滴之间稳稳的连接在一起，地球上的两块塑料板，则迅速被分开。

到了太空中，纯水都能当“浆糊”用？这个实验要展示的，其实就是重力对液体表面张力的影响。南京航空航天大学理学院副院长李晋斌教授告诉记者，“液桥”是一个物理学概念，指的是连接两个固体表面的一段液体。液体存在着表面张力，它就像一层“弹性薄膜”一般，维持着液桥的表面形态。在地球上，由于受到重力的影响，液桥的表面张力无法承受下面塑料板的重量，因此会迅速“垮塌”，具体的呈现形式就是我们见到的两块塑料板的迅速分开。但在太空中，因为失重原因，所以液桥不会迅速垮塌，能够稳稳的将两块塑料板“链接”起来。

水油分离实验：

洗衣机脱水用到的就是离心力原理

水油分离实验对于很多中学生来说并不算陌生。水的密度是1×10³kg/ m³，油的密度大约为0.8×10³kg/ m³，水的密度大于油的密度，而且它们彼此不相溶，因此，在地球上分离一瓶水和油的混合物时，只需要将瓶子静置，相对较“重”的水因为重力影响，在一段时间后会自然“沉”到瓶子的底部。

然而，在失重的太空中，水和油的分离就需要外力的干预了。“天宫课堂”里，航天员叶光富成为了“人力离心机”，通过甩动水油混合瓶子的方式，将瓶内的水和油区分开来。李晋斌告诉记者，“甩”的过程，其实就是在给瓶子施加离心力。在同一个力的作用下，相对较轻的油加速度会更大一些，而相对较“重”的水则加速度小，因此，水和油便能在离心力的作用下分开。

“其实，了解离心力最好的生活案例便是家里的洗衣机。”李晋斌举例，洗衣机洗完衣服的脱水工序，便是充分运用了离心力原理，通过高速的甩动，让水透过滚筒的缝隙“飞”出去，这样衣服便能迅速脱水。

太空抛物实验：

长期失重环境下，航天员甚至会“重力健忘”

其实，太空中的“抛物”更像是“推物”的过程。观看了“天宫课堂”的读者不难发现，王亚平抛出冰墩墩玩具后，冰墩墩几乎是以匀速的姿态，水平状态奔向了另一头的航天员叶光富。同样，叶光富回抛冰墩墩时，冰墩墩的“空中姿态”也是如此。这也我们在地球上常见的“抛物线”有很大的区别。

李晋斌教授告诉记者，我们在地球上之所以抛物都是一条弧线，最根本的原因还是空气阻力和重力的“捣蛋”。为了努力让物品抛得尽可能远，我们只能在抛出物品时，努力向斜上方扔，这样给物品的“空中飞行”留下足够的重力下坠空间。“其实，冰墩墩在太空失重环境下也不算完全匀速，会有一点点阻力，但阻力会非常小。”

南航航天学院闻新教授告诉记者，从太空返回地球的航天员会有一种常见的经历:掉落日用品。因为太空生活的习惯使他们总是期望物体离开手后会飘浮在原地。如某些航天员将物体扔向他人，经常用力过小，使得物品掉到地面上，于是他们才会意识到地球重力需要他们使出更大的力气。茶杯、牙膏管和笔都是因航天员的“重力健忘症”而经常损坏的物品。刚返回地球的航天员似乎都要重新适应这个星球的景象，他们会觉得重力太强，甚至在说话时都能感觉到嘴唇和舌头的重量。

【这些“天地互动”也很有趣】

本次“天宫课堂”的授课中，特地安排了天地互动环节。来自北京、新疆和西藏三个分会场的孩子们，向神十三乘组的航天员提出了自己的各种好奇。记者特邀南京航空航天大学航天学院闻新教授，对孩子们感兴趣的互动话题作了补充解读：

太空里“忍住眼泪”其实有点危险

闻新教授告诉记者，在太空中，因为没有重力，眼泪不会像在地球上那样掉下来。相反，如果航天员哭泣，眼泪就留在那里，清理起来会有点疼。

加拿大航天员克里斯·哈德菲尔德在国际空间站里做过一个流泪实验，因为他不能说想流泪就流泪，所以他将水喷到眼睛上，当作泪水。从他的实验中可以看出，随着他喷的水越多，他眼睛上附着的水球就越大，而且不会往下掉。他说道:“除非眼泪被蒸发掉，或者流到脸颊上，或者你用毛巾擦掉它。否则它会一直存在于你的眼睛里边。”这种情况在太空中非常危险，会引发危险事故。因为如果眼泪体积较大，在失重的状态下，容易引发空间站电气设备事故，从而对航天员的人身安全造成伤害。

在太空里，沸腾的水会怎样呢？

在地球上，沸腾的水会产生无数多个微小的气泡。然而，在太空中，沸腾的水却只能产生一个巨大的波状气泡。

流体动力学非常复杂，直到1992年物理学家才在航天飞机上最终进行实验确定了在微重力下沸水会发生什么。水在太空中沸腾产生巨大的波状气泡的现象可能是由于没有对流和浮力这两种由重力引起的现象造成的。

闻新教授告诉记者，从水沸腾的实验中科学家受到启发，因为只有弄懂液体在太空中如何沸腾，才能更有效地设计航天器的热控系统。未来人类在太空中，可以利用太阳能将液体煮沸以产生蒸汽，然后使涡轮发动机转动以产生电能。

空间站护肤“有诀窍”

在太空中，没有重力，皮肤会不会变好？航天员王亚平回答，空间站里，自己的皮肤状态很不错。其实，这也要归功于科研人员的贴心准备。在神十三乘组“出差”之前，专门为女性航天员研发的化妆水、面霜等护肤产品就已经跟随“天舟三号”进入空间站。但太空中护肤，不会像在地球上一样“拧开化妆水瓶盖”，盛放化妆水、面霜的容器肯定要特殊加工。

不少人也因此有了疑问，在空间站里长期生活，会不会引发皮肤干燥？专家告诉记者，空间站有环境控制航天生命保障分系统，温度、湿度、噪音分贝等都会控制在适合航天员生活的范围。因此，男性航天员长期呆在空间站，基本不会出现皮肤干燥。

链接：我们为什么要坚持空间科学实验

闻新教授介绍，空间站寿命长、空间大的特点也为建立未来的空间工厂打下了坚实的基础。如，材料加工与生产是空间站的一个重要应用。航天员利用太空微重力、高真空、高洁净等环境条件，可以进行高纯度药品的空间生产，提炼无缺陷晶体和制造无泡沫合金等。在微重力环境下，液体中密度不同的成分不会发生沉淀和对流，采用电泳技术，可达到并大大提高生产效率、降低反应成本的效果，举个例子，空间站制药速度是地球上的几百倍，砷化镓的生产成本仅为地球的1%。

扬子晚报/紫牛新闻记者  杨甜子

视频来源   央视新闻

校对 苏云

编辑 : 郭凤