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北京101中学学生出了个实验方案,或将运用于空间站

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发表于 2018-6-19 14:27:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

想在太空喝口热茶,水该如何加热?在太空中会不会得蛀牙,牙疼怎么办?蜘蛛在失重状态下还能结网吗?……别着急,来自北京市第一0一中学的孩子们,为探究这些问题的答案已经做了详细的实验设计。由中国科协、中国科学院、中国载人航天工程办公室、中国航天科技集团公司主办,中国科协青少年科技中心、中国宇航学会承办的“2017年空间站搭载青少年科学实验方案征集活动”于日前公布了评审结果。第一0一中学的创意少年们拿下两个一等奖、三个三等奖。主办方表示,根据我国载人航天工程“三步走”战略,我国将于2022年前后建成空间站并正式运营。活动将选出优秀获奖作品并对获奖学生进行表彰奖励,同时将举办航天训练营,在专家指导下对部分获奖作品进行完善,并最终选出部分作品作为空间站太空探索实验室的实验备选方案。

【太空中烧水能更快一些吗?】

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《探究太空中水的传热规律实验方案》是荣获此次比赛一等奖的十个项目之一,这一项目背后的主导者是北京市第一0一中学的高二学生邓栊涛。谈及设计这个项目的初衷,邓栊涛说自己还是受到了一群美国高中生的启发。

原来,在得知“中国空间站青少年科学实验计划”之后,邓栊涛立马就产生了浓厚的兴趣,投入到了知网、美国航空航天局的海量资料中。一次在登陆美国航空航天局官网时他看到,美国有一群高中生做了一个关于太空中空气传热的实验,为的是解决国际空间站电路和电子设备的散热问题。“那我是不是可以探究下水的传热规律呢?”

进一步了解后他发现,目前太空中对水的加热方式并不理想:加热机器笨重,加热不均匀,加热效率低,对资源浪费较大。比如,“星辰号”服务舱烤箱加热2千克左右的食品,就需要20到30分钟。

“因为在在轨航天器所处失重环境下,液体内部不存在因密度差导致的浮力作用,也就是说,冷水热水不会因密度差别而产生冷热对流,所以在微重力环境下液体的传热规律与地面有所不同。”邓栊涛解释道,探究出太空中水的传热规律之后,就可以为将来对太空水加热方式与加热器的设计提供理论基础。

为此,邓栊涛设计了两组实验:一组在地面进行,一组在空间站中进行;分别分析时间与温度变化的关系。邓栊涛解释说,根据理论推导,因为地面实验受重力场影响,在加热的过程中存在热对流现象,所以在地面环境中加热的效率较高;而在太空中对密闭容器中的水加热时,热只通过热传导的方式传播,不会有热对流的产生,因此地面组实验的加热效率应该比太空组的快。

通过实验数据的记录,我们可以得出太空中水的导热率。“如果理论推导结论得以验证,以后在太空中对水加热时,就可以引入一个离心力场使水中产生热对流,从而来提高水的加热效率。”

【蜘蛛在太空中还能结网吗?】

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一零一中学初一年级韩佳的项目是《微重力环境下的蜘蛛结网实验》,这个项目在比赛中获得了三等奖。

他说,设计这个项目更多的是源自自己的好奇心。有次上体育课自由活动时,他观察到了栅栏上一只正在结网的蜘蛛,联想到方案设计活动,便突发奇想,“蜘蛛在太空中会结网吗?如果会的话,结的又会是什么形状的网呢?”

查阅资料后,韩佳发现,地面环境与太空环境的不同,还真有可能对蜘蛛结网造成一定影响:在地面环境时,蜘蛛通过重力判断方向,结网时也可以通过重力来实现蛛丝的下垂,并根据风向寻找固着点,从而完成第一根丝的架设。

而在太空的微重力环境下,蜘蛛结网又会是怎样的情形呢?韩佳做了4种情况的假设:一种是蜘蛛无法适应微重力环境,在微重力环境下无法进行捕食,数天后逐渐萎靡,直至死亡;一种是蜘蛛在微重力环境下无法正常爬行,因此无法织网;稍微乐观的情况是,蜘蛛可以正常生存,但由于微重力环境影响,蜘蛛吐出的丝在空中杂乱分布,最终粘连在一起,无法实现蛛网的编织;最后一种情况与之类似,由于没有重力,蜘蛛无法判断行走的方向,最终织出的网不是平面,而是杂乱无章的。

为了验证自己的假设,韩佳设计了一个链条完整的生态箱:蜘蛛、供蜘蛛食用的果蝇、果蝇食物;为了方便蜘蛛的爬行,要把生态箱四周内壁进行粗磨砂处理,并粘上特殊的无纺布。按照方案征集活动的要求,参与者在进行实验设计时不需要额外的气、液体支持,因此,韩佳又在生态箱里设置了释放氧气、吸收二氧化碳的植物。此外,为了保证蜘蛛的正常生存,还需要为蜘蛛提供适宜的温度和湿度,因此在实验箱内又设计安装了自动的温度控制装置和湿度控制装置;同时装有摄像机和照明灯,用于观察蜘蛛在太空中的生活和织网过程。

“版本改了好多次,一次比一次具体。”韩佳在一次次反复的完善过程中感受到了科学研究的严谨性,比如,最后一个版本中,经老师的指导,韩佳加上了所设计生态箱的图纸,包括俯视图、正视图等。

“我希望通过这个实验设计,可以分析出微重力对节肢动物生存的影响,以及微重力对蜘蛛织网过程的影响,为其他动物进行微重力生存实验提供参考。”

【在空间站得了龋齿怎么办?】

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北京市第一0一中学初中年级的李约(中)

来自北京市第一0一中学初中年级的李约饱受牙病困扰,“一家人牙都不好,每次看牙时都很痛苦。”因此,在得知空间站实验方案征集活动时,他第一时间做了情感迁移,“如果真在天上犯了牙疼,来回一趟可不容易。”

于是,李约把主题瞄向了导致龋齿的主要致病菌——变异链球菌,“空间站治疗条件有限,所以最好还是不要得病,所以我就想了解导致龋齿病害的菌在空间的生长情况。”

李约了解到,其实空间环境对微生物的影响此前早有相关研究,微生物的致病性、生长繁殖速度等生物学性状在空间环境中都表现出了明显变化,比如,在对感染鼠伤寒沙门氏菌小鼠的致死率研究中发现,尾悬吊小鼠口腔接种鼠伤寒沙门氏菌实验的致死剂量较正常小鼠接种剂量显著减少,沙门氏菌在微重力处理 83小时后毒力更强,感染小鼠的死亡率为地面对照菌的3倍。

此外,研究还发现,空间环境能使致病菌产生不能被机体免疫系统识别或被抗生素清除的生物保护膜,从而导致细菌的致病性增强。

会导致龋齿的变异链球菌又是什么情况呢?李约设置了地面和空间两组对照实验,观察细菌在不同环境下的生长曲线,以此确认空间环境是否会加速变异链球菌的生长速度。此外,由于变异链球菌是通过分泌酸性物质来腐蚀牙釉质,因此通过测定培养基的 pH 值,可以来验证空间环境是否会让变异链球菌变得更酸,从而增强了对牙齿的破坏作用。

李约显然并不满足于仅仅观察致病菌的变化,万一在太空中真的牙疼,用药效果如何?跟地面相比是不是也有所区别?因此,他又设计了对照实验,以明确空间环境对变异链球菌耐药能力的影响。

李约希望,自己最终的实验结果,可以为在空间站发生口腔疾病的航天员提供用药指导。

来源:北京晚报 记者 牛伟坤 文并图


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