发布日期：2024-11-20 15:52 点击次数：205
要是东谈主类的确能像科幻电影和演义中一样麻豆 艾鲤，能在遥远地在天外中悠扬，思思是不是有点小愉快呢？
▲ 我的三体之星舰地球（起头：bilibili-我的三体）
说到这个我可就不困了。
前不久我国辐照的问天实验舱舱佩带的水稻种子和拟南芥种子得胜发芽，现在长势雅致。长成的天外水稻还有一个宛转的名字叫“小薇”。
▲ 长势雅致的天外水稻和拟南芥幼苗（起头：bilibili-咱们的天外）
除此除外，问天实验舱还搭载了一个生命生态实验柜，在其中放手了藻类，水槽和斑马鱼酿成了一个轻微的生态系统。通过不雅察袖珍生态系统的生命参数不错为将来在天外中竖立大型生态系统打好基础 [1]。
▲ 问天实验舱得胜辐照（起头：央广网）
是以，在天外中生活需要疑望些什么呢？
最初，咱们在天外中是感受不到重力的，行家不错粗率飞！
这是因为，当咱们在天地飞船、空间站或者月球上时，由于它们皆绕着地球动掸有一个向心加快度，不错算作一个非惯性参考系。咱们在其中会受到惯性力，这个惯性力也不错被称为惯性离心力，力的大小与地球的万有引力换取，标的与万有引力相背，是以就感受不到地球的重力了。
（Tips：非惯性参考系便是具有加快度的参考系，在分析非惯性参考系中物体的分解时要加上一个惯性力，惯性力的大小为物体的质地乘以该参考系的加快度，标的与该参考系的加快度标的相背。）
在电影星际穿越中，主角团们在插足空间站后通过使空间站自转而模拟出了重力，这个重力现实上是由于空间站自转而产生的另一个惯性离心力。
▲ 星际穿越中旋转的空间站（起头：电影星际穿越）
假定空间站的尺寸为 100m，通过省略的谋划不错知谈，要齐全与在地球上换取的重力，空间站的转速相配于地球自转速率的 6000 倍。
雷同的，要更正重力，只需要诡计一个不错提供不同转速的安装就不错了。在问天实验舱中就诡计了一个 900mm 大小的离心理，通过舍弃转速不错齐全重力的精细调遣。
看到这里行家不禁思问，在地球上有莫得齐全失重的见地呢？
家喻户晓，解放落体是一个失重经过。字据这个旨趣，东谈主们发展了一种微重力实验室：失重飞机。
一个架次的失重遨游由几许个失重抛物线构成，每个失重抛物线包括 4 个阶段：急跃升阶段、失重阶段、下落阶段和平飞阶段 [2]。每次遨游不错齐全 15~20 次失重次数，每次失重不错不竭 25~28 秒。失重水平不错达到 0.01g。
▲ 失重飞机一次抛物遨游弧线默示图（起头：参考文件 [3]）
除此除外，还不错将高空气球在预定高度开释落舱齐全失重。这亦然一个解放落体经过，失重时间在 30~60s，失重水平不错达到 10-4g [4]。这些微重力实验室由于失重时间短是以只可完成一些省略实验，不错为之后插足天外中打好基础。
依靠解放落体不错模拟出一个委果的失重环境。
除此除外，不错再思一下：要是给东谈主施加一个朝上的大小等于 mg 的力以对消重力，不就也达到了失重的效率了吗？
是以东谈主们又发展了中性浮力水槽的失重实验，东谈主体通过在水中增多或减少飘浮器的措施，使东谈主体受到的浮力和重力至极从而齐全等效失重 [5]。
▲ 航天员进行水下西席（起头：央视新闻）
可是疑望在这种情况下，仅仅东谈主体全体齐全了失重的效率，东谈主的组织、器官等还受到重力作用。通过这个措施不错模拟天外行走，失重工程舍弃等西席。
Part II：如何不平强辐射环境？天地中的强辐射一般是高能量的粒子。一方面是恒久存在的来自天地深处的高能质子，离子，或者介子等带电粒子；另一方面是未必发生的太阳质子事件。天地射线中最高能量的粒子的能量致使能达到地球上加快器所能提供最大能量的几千万倍 [6]。
高能粒子照耀到物体名义，会与物体名义的上的原子、分子发生相互作用。关于东谈主体来说，强辐射会使皮肤受到毁伤，指挥细胞癌变。
物资中的原子一般通过共价键，离子键，金属键，或者通过分子间的范德瓦尔斯力聚拢在一谈。
这些聚拢方式本色上是通过原子的外层电子齐全的。
是以，要是原子中的外层电子从高能粒子中取得能量，就会脱离出原子，进而轻易了这些化学键，导致原子之间无法雄厚聚拢，从而毁伤物体。
除此除外，高能粒子可能会与原子中的内层电子相互作用产生无数无益射线。
最初是电子取得很高的能量径直从固体中脱出，其次是当内层处于狡滑级的电子从固体中脱出后，外层处于高能级的电子跃迁到狡滑级从而辐射光子，辐射出的光子也被称为 x 射线，然后辐射出的 x 射线进一步激励内层电子从而辐射二次电子。
▲ 高能射线与原子中的电子相互作用
更高能量的粒子致使不错和原子核相互作用，碎裂核力的不停，从而辐射出质子、中子。
那么如何不平这些高能粒子呢？
一个径直的思法是采选厚厚的材料算作樊篱。可是这个措施需要极多的材料，即使屏蔽一个天地飞船大小的空间，所需要的防辐射材料就需要以吨为单元 [6]。同期高能粒子与材料相互作用再产生的电子、中子、x 射线等次级辐射，也会产生新问题。
另一个谈判是：既然这些高能辐射皆是带电粒子，那么运用电场或磁场是不是就不错不停粒子或者更正这些粒子的分解轨迹呢？
地磁场的作用便是这么保护了地球上的生命不受天地高能射线的毁伤。
带电粒子在磁场中分解时会受到洛伦兹力的作用，从而更正分解轨迹。电场也会给带电粒子施加电场力，从而更正粒子速率的大小和标的。
通过合理诡计外部空间的电磁场漫衍，不错使来自天地的高能射线发生偏转或减慢，从而保护咱们的空间站。
值得一提的是，带电粒子在电磁场中的分解轨迹，如下图，是常见的高考题目了。
▲ 电子在电磁场中分解受到电场力和洛伦兹力的作用
是以小盆友，我这里有一套五三秘密，指挥东谈主类飞向天地的重负就交给你了！
咱们不错在航天器名义通上电流产生磁场，模拟出地磁场的漫衍。
或者运用低强度的磁场使周围空间中的热电子集结在航天器周围，酿成电子云，从而产生刚劲的电场，进而不平带电粒子。
也不错在航天器主舱体上联接四个金属球，分手带负电，从而酿成一个非对称的静电场漫衍，径直偏移周围带电粒子的分解轨迹。[6]
▲ 空间站主体舱加四金属球防护安装结构图（起头：餐参考文件 6）
天然现实操作中防辐射的防护材料和电磁场的措施笃定是需要搭配使用的。
Part III：生活必需品：氧气和水要思在天外中经久生计，从大地上自带氧气和水毕竟是有限的，那么有哪些浅易快捷的出产氧气和水的措施呢？
电解水便是一个省略的措施。通过构造一个电解池，阳极处水分子被氧化失去电子生成氧气和氢离子，氧气跟着水流排出，氢离子与固体团员物膜内水分子聚拢后在电场的作用下转移到阴极，阴极处氢离子得到外电路的电子被申报成氢气。
▲ 固体团员物电解水电解池旨趣图（图片参考自文件 [8]）
通过电解水除突出到了咱们思要的氧气除外，产生的氢气也会有大用处。
东谈主汲取氧气呼出二氧化碳，疑望到二氧化碳中也存在氧原子，是以不错运用二氧化碳与氢气发生响应产生水。
可是由于氢气和二氧化碳的性质皆比较雄厚，是以需要采选催化剂（金属铁、钴、镍、钌）在高温高压的环境下使其响应。由于二氧化碳和氢气夹杂的比例不同会非凡产生一氧化碳、碳单质、甲烷、甲醇等物资，是以在现实操作中需要仔细舍弃二者参与响应的比例留神产生不利物资。
除此除外，运用过氧化钠和二氧化碳之间的响应也不错生成氧气。
▲ 运用二氧化碳制备水和氧气的响应方程式
除了化学响应除外，咱们还不错回收平素用水和尿液。通过蒸馏-冷却的方式将清白水再次制备出来。
水在天外中会线路出与在大地上不同的神色，在莫得重力的情况下，水的里面也不存在压强了。可是由于水分子相互间的蛊卦力，水依然有名义张力。
一团水在天外中最天然的存在方式是酿成一个球形。这是因为在换取体积的情况下，球形物体的名义积最小，而液体的名义能等于名义张力乘以名义积，是以在天外中保持球形不错使水的名义能量最低，也便是最雄厚的情状。
在之前天外讲课中有一个水雄厚地存在于杯子中的风物，和在地球上的杯中水一模一样，广阔网友还对此伸开了一番算计，这是如何回事呢？
▲ 天外讲课中与大地无异的杯中水
这是由于水与玻璃杯名义发生浸润。
在固体与液体宣战的名义会有一层附着层。液体分子对附着层平分子的蛊卦力为内聚力，标的指向液体里面；固体分子对附着层平分子的蛊卦力为黏效力，标的指向固体里面。
若黏效力大于内聚力，则附着层分子所受的协力指向固体里面，是以液体分子皆会向附着层移动，可是这么又增大了液体与固体的宣战面积从而增大名义能量，是以最终会酿成如下图所示的浸润均衡的风物。[9]
▲ 液体浸润风物（起头：秦允豪《热学》）
Ps：这杯水是宇航员姐姐一滴一滴地挤到杯子里的（是一个很浮泛的经过呢），只须不再对其施加外力，这杯水就会一直保持阿谁神色。
那么气体在天外中又线路出什么风物呢？
比较于液体，气体分子间的间距要大得多，是以就不存在分子间的蛊卦力了，气体的压强来自于气体分子的热分解，是以氧气照旧天然地逸散在空间中，和在大地上莫得区别。
咱们将视角进一步往前看，要是在天外中不错大鸿沟栽培植物，竖立生态系统，植物不错通过光互助用汲取二氧化碳产生氧气，那么不仅不错处分水和氧气的问题，同期也能处分食品的问题。
前边提到，在天外中大部分时间是处于微重力环境下的。关于植物来说，莫得了重力的不停，可能就不需要泥土的撑持了。细胞之间不再受到重力的挤压，相互间的距离就不会太紧凑，同期细胞可能会朝着四面八方鼎力滋长，这么种出来的植物可能就会比在地球上大。
可是微重力也可能影响细胞骨架，导致细胞的滋长可能出现乖张，或者会影响细胞膜的性质，从而影响细胞间物资的交流，同期微重力也会影响细胞分裂周期 [10]。
总之，微重力对植物滋长的作用依然是当下天外微重力科学斟酌的重心。我国辐照的问天实验舱也佩带了斟酌微重力情况下植物和细胞滋长的实验舱。
在天外中大部分情况是枯竭泥土的，是以不错采汲水耕栽培的措施栽培植物。水耕栽培又被称为无土栽培，在地球上时常用来克服泥土栽培遭受的盐渍化，病虫害，酸碱失衡等穷苦 [11]。水耕栽培通过调配适合的养分液使植物生计。
一般的极新植物有 75%~95% 的部分为水分，剩下的干物资包括 C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S 等基本元素和 Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、Ni 等微量元素，微量元素具有调遣植物的推陈出新，参与物资的转动和运载、信号传递和渗入调遣等功能 [12]。
为了给植物提供有余的基本元素和微量元素，咱们不错将含各式元素的化合物与蒸馏水融解夹杂调配成养分液，同期需要设定一定的溶液 PH 值。
栽培经过为最初遴荐饱胀无虫病的种子，其次消毒使其在培养经过中不被细菌感染。
然后用水浸种使种子吸足水分，种皮推广，从而使种子不错汲取氧气，加强种子代谢、酶促响应等生命经过。
再其次恭候其发芽后移栽至养分液中，终末依期更换养分液同期实时补充铺张的氧气 [12]。
▲ 以水稻水耕栽培为例，从左到右分手为水稻种子吸水露白，发芽以及移栽经过。（起头：参考文件 [12]）
泥土栽培大要亦然一种在天外中栽培植物的措施。比如在电影火星营救中，主角便是通过运用粪便栽培土豆为生。
▲ 马克在火星种土豆（起头：电影火星营救）
可是要大面积的进行泥土栽培照旧需要愈加高超的斟酌外星球泥土的理化性质，然后对泥土进行革命，使泥土不错储存水分、矿物资。同期泥土中必须存在细菌、真菌构成的生物群落以保证植物根际圈的存在，这是因为微生物的氮代谢，发酵和呼吸作用等生命行为对植物根系滋长有着焦虑作用，微生物与植物间酿成共生、拮抗和寄生的干系 [13]。
总之，在天外中进行泥土栽培依然处于一个畅思的阶段，咱们先安下心来斟酌一下刚从月球带转头的月壤吧。诶嘿！
▲ 失去梦思之月壤不成种菜（起头：bilibili-光明日报）
Part V：用电问题通过以上的分析经过，思要在天外中生计，岂论是出产氧气和水，或者栽培植物，更无须提空间站和仪器的开动，这些皆是需要无数的能量或者电力。那么在天外中如何发电呢？
能径直思到的一个措施天然是运用太阳能发电了，也便是运用光电效应将光能转动为电能。
关于一个原子来说，电子漫衍在原子核外部的各个能级之上，当两个原子相互围聚时，这些能级就会发生疏裂。关于固体来说，其里面存在无数相互围聚的原子，同期由于原子枚举是周期性的，会导致原子中的电子轨谈相互交叉从而酿成能量一语气漫衍的能带。能容纳电子的部分称为允带，不成容纳电子的部分称为禁带。禁带的大小称为能隙。
允带又分为导带和价带。关于一个半导体来说，在莫得外部骚动的情况下，绝大部分电子皆处在价带中，不参与导电。唯有少部分电子受温度影响会跃迁到导带中参与导电，温度越高，跃迁到导带中的电子越多，这便是半导体随温度升高导电性会变好的原因。这些热电子为均衡载流子。
▲ 固体中能带的酿成经过及半导体的电子漫衍
对半导体推论不同的掺杂会变成 n 型半导体和 p 型半导体。比如关于硅单质来说，它自身是一个本征半导体，也便是激励到导带的电子和价带的空穴一样多。
要是掺杂磷原子，会非凡引入一个电子，从而导致电子比空穴多，主要靠电子导电，也就成为 n 型半导体。要是掺入硼原子，会非凡引入一个空穴，从而导致空穴比电子多，主要靠空穴导电，也便是成为 p 型半导体。
将 p 型半导体和 n 型半导体合在一谈就成为了 pn 结。
由于 n 型半导体中电子浓度更高，是以电子会发生空间扩散，从 n 型半导体中扩散到 p 型半导体中。电子离开 n 型半导体正本的区域后会留住不可移动的正离子实，酿成了正电荷空间区域；电子插足 p 型半导体填补了正本区域中的空穴，酿成了负离子实的负电荷空间区域。电子的空间扩散导致正本中性的二者出现了空间电荷区域，从而在里面酿成电场 [11]。
当光照耀到半导体上时，要是光子的能量大于半导体的禁带宽度，无数电子会汲取光子的能量跃迁到导带中称为非均衡载流子。关于 pn 结来说，这些非均衡载流子通过里面自觉的电场发生转移，酿成电流。太阳能电板便是依靠这个基本旨趣将光能转动为电能。
▲ pn 结光生电流旨趣默示图
除此除外也不错运用核响应发电。核能发电现在主要的方式是核裂变，翌日期许能齐全可控核聚变。
岂论是核聚变照旧核裂变，基本旨趣皆是原子核在极高温下失去质子或中子，质子和中子从头酿成新的原子核。新原子核酿成的经过中，参与响应的旧原子核和质子中子的总质地大于新的原子核的质地，这是因为原子核里面质子和中子是靠核力的蛊卦聚拢在一谈的，是以聚拢能是负的。是以在后头这个经过会发生质地亏空，字据爱因斯坦质能方程，亏空的质地会转动为巨大的能量。
比如一个典型的轻核聚变经过为氘核（一个质子加一个中子）响应生成氦原子核（两个质子加两个中子）、质子和中子的经过，中间居品伴跟着氚核（一个质子加两个中子）和氦 3（两个质子加一个中子）的产生 [15]：
那么如何将核能转动为电能呢？
其实措施很省略，便是烧热水。核能加热水使其变成具备很高动能的水蒸气，水蒸气吹动机械叶片通过电磁理性效应产生交流电。
▲ 交流发电机旨趣图（图源：百度百科）
翌日是否能发展其他的发电方式呢？
谜底是有的，比如运用热电材料进行温差发电。
关于一个热电材料来说，要是其两头有着不同的温度，就会产生一个电动势，联接上导线短路，就会产生电流。
▲ 热电效应默示图（起头：参考文件 [16]）
热电效应最早由德国科学家塞贝克在 1821 年发现。其基本旨趣为：关于半导体来说，其热端的载流子会比冷端具有更大的动能；同期，前边咱们提到，热激励也会使载流子从价带跃迁到导带，是以热端跃迁到导带的载流子更多。两者共同的作用使得载流子会扩散到冷端，从而使得半导体两头产生电荷的集会。
比如关于 n 型半导体，电子从热端转移到冷端，从而在冷端集会负电荷，热端酿成正电荷区域，是以半导体的两头就会酿成电势差。[16]
现在热电材料依然处于发展阶段，但也有着广阔的应用远景。
结语好了，你依然掌合手了在天外中生计所需要了解的基本常识了，作念好去天外安家和冒险的准备了吗？
天然可是，东谈主类要飞向天地还有着很远的路，需要依靠百行万企每个东谈主共同的勉力。
总之，让咱们向着辽远的星辰和天地的幽谷，前进！
参考文件：
[1] “问天”4 大科学实验柜，详解来了! 中国科学报 / 2022 年 / 7 月 / 25 日 / 第 001 版.
[2] 基于失重飞机的微重力科学实验系统，吕从民，席隆，赵光恒，张玉涵，清华大学学报（天然科学版）2003 年第 43 卷第 8 期.
[3] 神奇的失重飞机，唐承格，科技视线 2006.1.
[4] 用高空气球齐全的微重力环境模拟实验系统，王建一，航天舍弃，1990 年第 3 期。
[5] 东谈主机整合出舱行为的模拟失重测验时刻斟酌进展，周前祥.
[6] 主动天外辐射防护措施分析与斟酌，陈世适，张宁博，熊芬芬，中国宇航学会深空探伤时刻专科委员会第九届学术年会论文集.
[7] 固体物理教程，王矜奉，山东大学出书社.
[8] 电解水制氢的影响要素斟酌，李静，北京建筑大学硕士论文，2020 年 6 月.
[9] 热学，秦允豪，高级教悔出书社.
[10] 空间生命科学中细胞骨架的斟酌进展，王驰，庄逢源，王文，医用生物力学 2007 年，第 22 卷，第 2 期.
[11] 水耕栽培养分液轮回舍弃系统的诡计与舍弃性能分析，方慧，杨其长，魏灵玲，巫国栋，魏强，农机化斟酌，2009 年 3 月第 3 期.
[12] 改进水稻幼苗无土栽培措施的探讨，黄秋婵，唐鸣，李怡，化学化工与生态环境斟酌，2013 年，第 30 卷，第 3 期.
[13] 超集会植物筛选及羞耻泥土植物建造经过斟酌，魏树和，中国科学院斟酌生院博士论文，2004 年 5 月.
[14] 半导体物理，刘恩科，电子工业出书社.
[15] 原子物理学，杨福家，高级教悔出书社.
[16] 热电材料的基本旨趣、要道问题及斟酌进展，郭凯，骆军，赵景泰，天然杂志，2015 年，第 37 卷，第 3 期.
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作家：不爱物理的小明 剪辑：Garrett
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