了解太空的知识有哪些(太空的十个问题)

大家好，我是讯享网，大家多多关注。

如果人类真的能像科幻电影和小说里那样在Tai 空里长时间航行，你觉得是不是有点刺激？

我的三体星舰地球(来源:哔哩哔哩-我的三体)

说起来，我还不困。

不久前，我国发射的实验舱搭载的水稻种子和拟南芥种子成功发芽，目前长势良好。长大后的泰空水稻还有一个好听的名字叫“威”。

生长良好的水稻幼苗Tai 空和拟南芥(来源:哔哩哔哩-我们的Tai 空)

此外，实验舱还配备了生命与生态实验柜，里面放置了藻类、水箱和斑马鱼，形成一个微小的生态系统。通过观察微生态系统的生命参数，可以为未来在Tai 空构建大规模生态系统打下良好的基础[1]。

天空实验舱成功发射(图片来源:Yangguang.com)

那么，在泰空生活需要注意什么呢？

一个

第一部分:微重力环境

首先，我们在Tai 空里感受不到重力，每个人都可以随心所欲的飞！

这是因为，当我们在宇宙飞船、空站或月球上时，有一个绕地球的向心加速度，可以作为非惯性参考系。我们会受到惯性力，也可以叫惯性离心力。力与地球引力相同，方向与地球引力相反，所以我们感受不到地球引力。

(小贴士:非惯性参考系是有加速度的参考系。在非惯性参考系中分析物体的运动时，要加上惯性力。惯性力的大小是物体的质量乘以参考系的加速度，方向与参考系的加速度相反。)

电影《星际穿越》中，主角进入空站后，通过旋转空站模拟重力。这个重力其实是空站旋转产生的另一个惯性离心力。

星际中的旋转空站(来源:星际)

假设空之间的站的大小为100m，通过简单计算可知空之间的站的自转速度是地球自转速度的6000倍才能达到与地球相同的重力。

同样，要改变重力，我们只需要设计一个可以提供不同转速的装置。实验舱内设计了一个900mm大小的离心机，通过控制转速可以实现重力的微调。

看到这里，大家不禁要问，地球上有没有办法实现失重？

众所周知，自由落体是一个失重的过程。根据这个原理，人们研制出了微重力实验室:失重飞行器。

一次失重飞行由多个失重抛物线组成，每个失重抛物线由快速跳跃、失重、下降和水平飞行四个阶段组成[2]。每次飞行可实现15~20次失重，每次失重可持续25~28秒。失重水平可达0.01克..

失重飞机抛物线飞行曲线示意图(来源:参考文献[3])

除此之外，high 空气球可以在预定高度释放和降落，实现失重状态。这也是一个自由落体的过程。失重时间为30~60s，失重水平可达10g [4]。由于失重时间短，这些微重力实验室只能完成一些简单的实验，可以为以后进入Tai 空打下良好的基础。

自由落体可以模拟真实的失重环境。

再说，你再想想:如果施加一个等于mg的向上的力来抵消重力，不也达到失重的效果了吗？

因此，人们开发了中性浮力水槽失重实验。通过增加或减少水中的漂浮物，使人体的浮力和重力相等，达到等效失重[5]。

对航天员进行水下训练(来源:央视新闻)

但注意，在这种情况下，只有整个人体达到了失重状态，人体组织器官也受到重力的影响。该方法可用于模拟行走too 空和失重工程控制的训练。

2

第二部分:如何屏蔽强辐射环境？

宇宙中的强辐射一般是高能粒子。一方面，总有来自宇宙深处的高能质子、离子、介子等带电粒子；另一方面是偶然的太阳质子事件。宇宙射线中能量最高的粒子的能量甚至可以达到地球上加速器提供的最大能量的几千万倍[6]。

当高能粒子照射到物体表面时，会与物体表面的原子和分子发生相互作用。对人体来说，强辐射会损伤皮肤，诱发细胞癌变。

物质中的原子通常通过共价键、离子键、金属键或分子间的范德华力结合在一起。

本质上，这些成键模式是通过原子的外层电子来实现的。

因此，如果原子中的外层电子从高能粒子中获得能量，就会从原子中分离出来，从而破坏这些化学键，导致原子之间的结合不稳定，从而损伤物体。

此外，高能粒子可能与原子内部电子相互作用，产生大量有害射线。

首先，电子获得高能量，直接从固体中出来。其次，当内层低能级的电子从固体中脱出时，外层高能级的电子跳到低能级辐射光子。辐射出的光子也叫X射线，然后辐射出的X射线进一步激发内层电子辐射出二次电子。

高能射线与原子中电子的相互作用

能量更高的粒子甚至可以与原子核相互作用，打破核力的束缚，从而辐射出质子和中子。

那么如何阻止这些高能粒子呢？

一个直接的想法是使用厚材料作为屏障。但是，这种方法需要大量的材料。即使屏蔽一个飞船大小空的房间，所需的防辐射材料也需要以吨计[6]。同时，高能粒子与物质相互作用产生的电子、中子、X射线等二次辐射也会引发新的问题。

另一个考虑是:既然这些高能辐射都是带电粒子，我们能否用电场或磁场来约束粒子或改变它们的轨迹？

地磁场的作用是保护地球上的生命免受宇宙高能射线的伤害。

带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用，从而改变其运动轨迹。电场也会对带电粒子施加电场力，从而改变粒子速度的大小和方向。

通过合理设计外空之间的电磁场分布，使来自宇宙的高能射线发生偏转或减速，从而保护我们的空站。

【/br/】值得一提的是，带电粒子在电磁场中的运动轨迹，如下图所示，是高考中的常见题目。

电子在电磁场中的运动受电场力和洛伦兹力的影响。

所以，小盆友，我这里有一套五三的秘籍，全靠你带领人类走向宇宙！

我们可以在航天器表面施加电流产生磁场，模拟地磁场的分布。

或者利用低强度磁场，使周围空中的热电子聚集在飞船周围，形成电子云，从而产生强电场，进而阻挡带电粒子。

也可以在飞船主舱连接四个金属球，分别带负电，形成不对称的静电场分布，直接使周围带电粒子的运动轨迹发生偏移。[6]

空四个金属球的空间站主舱结构图(来源:Ref。6)

当然，在实际操作中，防辐射材料和电磁场方法必须配合使用。

三

第三部分:日常用品:氧气和水

想要在Tai 空长期生存，从地面自带氧气和水是有限的。那么有哪些方便快捷的制氧制水的方法呢？

电解水是一种简单的方法。通过构建电解池，阳极的水分子被氧化失去电子，产生氧和氢离子。氧气随水流排出，氢离子与固体聚合物膜中的水分子结合，在电场作用下向阴极迁移。阴极外电路的电子被还原成氢。

聚合物电解水电池示意图(图片见参考文献[8])

通过电解水，我们不仅可以得到我们想要的氧气，而且产生的氢气也会有很大的用处。

人吸氧呼出二氧化碳，注意到二氧化碳中有氧原子，就可以利用二氧化碳与氢气反应生成水。

但由于氢气和二氧化碳的性质相对稳定，需要使用催化剂(金属铁、钴、镍、钌)使其在高温高压下反应。因为二氧化碳和氢气的混合比例会产生一氧化碳、单质碳、甲烷、甲醇等附加物质。，在实际操作中要小心控制两者参与反应的比例，防止不良物质的产生。

此外，过氧化钠和二氧化碳之间的反应也可以产生氧气。

从二氧化碳制备水和氧的反应方程式

除了化学反应，我们还可以回收日常用水和尿液。通过蒸馏冷却再次制备纯净水。

Tai 空里的水会呈现出与地面不同的外观。如果没有重力，水里面就没有压力。但是由于水分子之间的引力，水还是有表面张力的。

一团水在Tai 空最自然的存在方式就是形成球体。这是因为在相同的体积下，球形物体的表面积最小，而液体的表面能等于表面张力乘以表面积，所以在Tai 空中保持球形可以使水的表面能最低，也就是最稳定的状态。

在之前的太空的讲座中，有一个现象是水稳定地存在于一个杯子里，和地球上一个杯子里的水一模一样。广大网友对此也进行了讨论。发生了什么事？

Tai 空杯子里的水和教学中的地面是一样的。

这是因为水渗入了玻璃表面。

与液体接触的固体表面会有一层粘附层。粘附层中分子对分子的吸引力是内聚力，方向指向液体内部；分子对粘附层中分子的吸引力就是粘附力，方向指向固体内部。

如果粘附力大于内聚力，粘附层分子的合力会指向固体内部，所以液体分子会向粘附层移动，但这样会增加液体与固体的接触面积，从而增加表面能，所以最终会形成如下图所示的润湿平衡现象。[9]

液体渗透现象(来源:秦热)

Ps:这杯水是航天员姐姐一滴一滴挤到杯子里的(是个很辛苦的过程)。只要不对它施加外力，这杯水就会保持那样。

那么气在Tai 空中表现出什么现象呢？

与液体相比，气体分子之间的距离要大得多，所以不存在分子间的引力。气体的压力来自于气体分子的热运动，所以氧气在空中还是会自然逸出，和地面上没什么区别。

四

第四部分:种植蔬菜

让我们看得更远一些。如果可以在Tai 空大规模种植植物，建立生态系统，植物通过光合作用吸收二氧化碳产生氧气，那么不仅可以解决水和氧气的问题，还可以解决食物的问题。

如前所述，我们大部分时间都处于微重力环境中。对于植物来说，没有重力的约束，它们可能不需要土壤的支持。细胞不会再受到重力的挤压，细胞之间的距离也不会太紧凑。同时，细胞可能向四面八方生长，这样种植出来的植物可能比地球上的要大。

然而，微重力也可能影响细胞骨架，导致细胞生长畸形，或者细胞膜的性质，从而影响细胞之间的物质交换。同时，微重力也会影响细胞分裂周期[10]。

总之，微重力对植物生长的影响仍然是太太空微重力科学研究的重点。中国的问天实验舱还携带了一个实验舱，用于研究微重力条件下植物和细胞的生长。

在Tai 空大部分情况下土壤缺乏，可以采用水培的方式种植植物。水培栽培又称无土栽培，通常用于克服土壤栽培中遇到的困难，如盐渍化、病虫害、酸碱失衡等[11]。水培栽培通过混合适当的营养液使植物得以存活。

一般鲜植物75%~95%是水，其余干物质包括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。微量元素可以调节植物代谢，参与物质的转化和运输，信号传递和渗透调节。

为了给植物提供足够的基本元素和微量元素，我们可以将含有多种元素的化合物用蒸馏水溶解混合配制成营养液，同时需要设定一定的溶液PH值。

栽培过程是先挑选饱满无病的种子，然后消毒，使其在栽培过程中不会被细菌感染。

然后用水浸泡种子，使种子吸收足够的水分，种皮就会膨胀，使种子吸收氧气，加强种子的新陈代谢、酶反应等生命过程。

然后等它发芽，移植到营养液里。最后，定期更换营养液，及时补充消耗的氧气[12]。

以水稻水培栽培为例，从左到右分别描述了水稻种子吸水、白化、发芽、移栽的过程。(来源:参考文献[12])

土植也可能是泰空种植物的一种方式。比如电影《火星救援》中，主角靠用粪便种土豆为生。

马克在火星上种土豆(来源:电影《火星救援》)

但要想大面积种植土壤，还是要更细致地研究外来土壤的理化性质，然后对土壤进行改造，使其能够储存水分和矿物质。同时，土壤中必须存在由细菌和真菌组成的生物群落，以保证植物根际的存在。这是因为微生物的氮代谢、发酵、呼吸等生命活动在植物根系生长中起着重要作用，微生物与植物之间存在着共生、拮抗、寄生的关系[13]。

总之，泰空的土壤种植还处于想象阶段。让我们静下心来研究一下刚从月球带回来的月壤。嘿！

失去梦想就不能种菜(来源:哔哩哔哩-光明日报)

五

第二部分:用电问题

通过上面的分析过程，要想在泰空生存下去，无论是生产氧气和水，还是种植植物，更不用说空站和仪器的运转，这些都需要大量的能源或者电力。那么Tai 空怎么发电呢？

能直接想到的一个方法当然是利用太阳能发电，也就是利用光电效应将光能转化为电能。

对于一个原子来说，电子分布在原子核外的各个能级上。当两个原子相互靠近时，这些能级就会分裂。对于一个固体来说，内部有大量相互靠近的原子，同时由于原子的排列是周期性的，原子中的电子轨道相互交叉，从而形成能量分布连续的能带。能容纳电子的部分称为允许带，不能容纳电子的部分称为禁带。禁带的大小称为能隙。

允许带分为导带和价带。对于一个半导体来说，在没有外界干扰的情况下，大部分电子处于价带，不参与传导。由于温度的影响，只有少数电子会跳到导带中。温度越高，越多的电子会跳到导带中，这就是为什么半导体的导电性会随着温度的升高而变好。这些热电子是平衡载流子。

半导体固体能带的形成过程和电子分布

半导体的不同掺杂会产生N型半导体和P型半导体。比如硅本身就是一种本征半导体，也就是激发到导带的电子和价带中的空空穴一样多。

如果磷原子掺杂，会引入一个额外的电子，导致电子比空空穴多，主要靠电子导电，从而成为N型半导体。如果掺杂硼原子，会额外引入空空穴，导致空空穴比电子多，导电主要靠空空穴，即成为P型半导体。

p型半导体和n型半导体结合在一起形成pn结。

因为N型半导体中的电子浓度更高，所以电子将在空之间从N型半导体扩散到P型半导体。电子离开N型半导体的原区域后，会留下不动的正离子，形成正电荷空之间的区域；进入P型半导体的电子填充了原区域的空空穴，形成了负离子和负电荷空之间的区域。空之间的电子扩散导致空之间原本是中性的电荷区，从而在[11]内部形成电场。

当光照射到半导体上时，如果光子的能量大于半导体的带隙，就会有大量的电子吸收光子的能量，跳到导带中，这就是所谓的不平衡载流子。对于pn结，这些不平衡载流子通过内部自发电场迁移，形成电流。太阳能电池依靠这一基本原理将光能转化为电能。

pn结光生电流示意图

此外，核反应还可以用来发电。目前核能发电的主要方式是核裂变，未来有望实现可控核聚变。

无论是核聚变还是核裂变，基本原理都是原子核在极高的温度下失去质子或中子，质子和中子重新形成新的原子核。在新核形成过程中，旧核和参与反应的质子中子的总质量大于新核。这是因为原子核中的质子和中子被核力的引力束缚在一起，所以结合能为负。因此，在后面的过程中会出现质量缺陷。根据爱因斯坦的质能方程，失去的质量会转化为巨大的能量。

例如，典型的轻核聚变过程是氘(一个质子加一个中子)反应生成氦核(两个质子加两个中子)、质子和中子的过程。中间产物伴随着氚核(一个质子加两个中子)和氦3(两个质子加一个中子)[15]:

那么如何将核能转化为电能呢？

其实方法很简单，就是开水。核水加热使其变成高动能的水蒸气，水蒸气通过电磁感应效应吹动机械叶片产生交流电。

交流发电机示意图(来源:百度百科)

未来还能发展出其他发电方式吗？

答案是肯定的，比如用于热电发电的热电材料。

对于热电材料来说，如果它的两端温度不同，就会产生电动势，连接线就会短路，就会产生电流。

热电效应示意图(来源:参考文献[16])

热电效应是德国科学家泽贝克在1821年首先发现的。基本原理如下:对于半导体，热端的载流子比冷端的载流子具有更大的动能；同时，如前所述，热激发还可以使载流子从价带跃迁到导带，所以热端载流子更多。两者结合导致载流子向冷端扩散，导致电荷在半导体两端积累。

比如对于N型半导体，电子从热端向冷端迁移，从而在冷端积累负电荷，在热端形成正电荷区，所以半导体两端会形成电位差。[16]

目前热电材料仍处于发展阶段，但也有广阔的应用前景。

六

标签

好了，你已经掌握了在Tai 空生存所需要知道的基本知识。你准备好在Tai 空定居冒险了吗？

但是，人类飞向宇宙还有很长的路要走，需要各界人士的共同努力。

总之，让我们向着遥远的星辰和宇宙的深渊前进吧！

参考资料:

【1】《烛台》4个科学实验柜，详细讲解来了！中国科学报/2022年7月25日/001版。

[2]基于失重飞行器的微重力科学实验系统，吕聪敏，，龙，，清华大学学报(自然科学版)，第43卷，第8期，2003 .

[3]神奇失重飞机，唐成戈，科技视觉2006.1。

[4]high空气球实现的微重力环境模拟实验系统，王建一，航天控制，1990年第3期。

[5]人机一体化舱外活动模拟失重试验技术研究进展，周千祥。

[6]泰泰空主动辐射防护方法的分析与研究，陈诗诗，张宁波，熊芬芬，中国航天学会深部空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集。

[7]固体物理教程，王建峰，山东大学出版社。

[8]电解水制氢影响因素研究，李静，北京建筑大学，2020年6月。

[9]热学，秦，，高等教育出版社。

[10] 空细胞骨架在生命科学中的研究进展，王驰，庄逢源，王文，医学生物力学，第22卷，第2期，2007。

[11]水培营养液循环控制系统的设计与控制性能分析，方辉，杨启昌，魏玲玲，，魏强，农业机械化研究，2009年3月3日。

[12]关于改进水稻秧苗无土栽培方法的探讨，黄，唐明，李毅，化学与生态环境研究，第30卷，第3期，2013。

[13]超积累植物的筛选及污染土壤的植物修复过程研究，魏淑和，中国科学院研究生院博士论文，2004年5月。

[14]半导体物理，刘，，电子工业出版社。

[15]原子物理学，杨，，高等教育出版社。

[16]热电材料的基本原理、关键问题及研究进展，郭凯，罗俊，赵景泰，自然杂志，第37卷，第3期，2015。

编辑:加勒特