“陈家镛一号”近日发射成功,上天去做一场化工实验

2017.02 16

北京时间2017年2月15日11点58分 ,在印度南部的萨迪什·达万航天中心,搭载104星的极轨卫星运载火箭成功发射,这是人类进入太空时代以来单次发射卫星数量最多的一次。在这次发射中,一颗中国和以色列合作的微小卫星,分外引人瞩目,这就是被命名为“陈家镛一号星”的微重力化工实验卫星,也是中国航天史上第一次尝试的微重力化学工程应用研究。

国际上发射过得各种目的的实验卫星很多,单是去年中国就发射多个航天器,包括天宫二号、实践十号、墨子号、悟空号等。到2020年中国将建成的空间站,大都是为了去做一些在地面无法做成的顶尖前沿的科学实验,这里头居然还没有过化学实验?

事实确实如此:在此之前,中国从来没有在太空上做过化工领域的科学实验,国际上做过此类实验的也屈指可数。

为什么要这么歧视我们化工实验?其实想想也很容易明白,化工实验往往可能存在腐蚀、爆炸、有毒等风险,以安全性为首要要求的大卫星、飞船或者空间站,当然不能轻易让这样的实验上太空。想想之前地面研究想要去太空做实验,需要向国家申请,得到许可、得到经费、排队数年,这种高风险的实验,当然会被排除在外了。

那么,这次上天做化工实验,为什么可以实现呢?这就是因为这次采用的是商用小卫星。中国民营资本 “入局”商用航天产业,使得国内涌现了一批商业航天公司,他们可以利用微小卫星为科学实验提供上天服务。而这颗卫星正是由中国商业航天公司天仪研究院,中国科学院过程所,中国科学院力学所,以色列商业航天公司SpacePharma合作研究研制的,相对于传统的大卫星来说,商业化的卫星价格低廉,上天周期短。微小卫星也可以把一个实验的风险隔离在一个独立的卫星上,由此才可以在天上去做化工实验。

那么这次上天的这颗实验卫星是要去做什么实验呢?在了解它的目的之前,你先知道一下这颗卫星的名字——“陈家镛一号星”。陈家镛院士是中国湿法冶金开拓者,他首次提出将化学工程的方法应用到冶金工业中,你将他理解为化工界的钱学森就对了。这颗卫星上天的目的是做微重力环境下液滴的聚并与分散实验。

为什么要研究液滴的聚并与分散?

当我们在享用一杯葡萄酒的时候,酒中的气泡常常会给我们带来美妙的体验。而红酒爱好者们则常以“葡萄酒的眼泪”来判断红酒的好坏,轻轻地摇晃酒杯,让酒液在杯壁上均匀地旋转,当停止摇杯后,酒液便会形成一条条液柱沿着杯壁缓缓地向下流动,并在杯壁上留下一道道酒痕,这就是“葡萄酒的眼泪”。

葡萄酒的挂壁现象,是葡萄酒因为表面张力梯度而造成的传质现象,其原理就是“马伦哥尼效应”(Marangoni Effect)。也就是说,在某些液体体系中,因溶质浓度、表面活性剂浓度和温度等不均匀分布,会在液体表面形成表面张力梯度,使液体从低表面张力区域流向高表面张力区域,甚至引发不稳定的流动。

在地球上,液滴的凝并过程十分复杂,液滴的行为往往受到重力和表面张力的影响,而且二者作用量级相当。对于复杂的液滴或者气泡聚并、破碎,或者传热、传质的马伦哥尼效应,往往在重力的干扰下,无法获得规律性的认识。

千万别恍然大悟——科学家们要上天去研究喝葡萄酒的事——并不是!

人们常用用葡萄酒的挂壁程度来判断葡萄酒的质量,其实是一定的道理的。葡萄酒的黏性越强,其中含有的如糖、甘油、矿物质和酒精度越高,酒的挂杯效果就越好。而这种品尝美酒时颇具欣赏性的挂杯现象,却有潜力成为强化传质的最佳手段。

一杯酒的马伦哥尼效应尚且如此明显,如果是在一个巨大的工业反应器中呢?研究液相混合和传质的意义,就在于解决化工反应器的放大效应。什么是放大效应?举个简单的例子,食堂的大锅饭菜通常都很难吃,而小炒窗口的口味还不错。除了食材新鲜程度、缺少油水之外,最重要的原因是放大效应。从小锅小铲到大锅大铲,即使师傅体力和火源热量均成比例增加,平均到每块菜的受热面积还是降低了,传热效率降低,本来应该大火快炒的菜,变成了焖熟、炖熟,口感肯定差了很多。

化工厂就像是个大厨房。我们研究化学反应在“小锅”中进行,却要放到“大锅”中批量生产。“小锅”中反应物之间接近理想状态混合,在质量传递和热量传递等方面都不存在问题。而将这些反应,尤其是多相的复杂反应,投到在“大锅”中时,随着反应器尺寸剧增,反应物就会混合不均,传热传质效果变差,往往产品收率和选择性都会大大降低。因此,为了提高生产效率和产品质量,化工行业不得不通过前处理、后处理等步骤,对原料和产品进行再加工,而这些过程往往是高污染、高能耗的源头。

所以,研究两相流体的混合和传质过程是解决放大效应的根本。然而,有目的地利用马伦哥尼效应来强化传质过程,尚没有达到 用于工业过程和设备设计的程度,甚至研究它的实验也还存在相当大的难度。这就是为什么要把这个实验搬到天上去做——在微重力的太空中,把重力因素排除之后,就可以单独考察表面张力、粘性力、静电力等作用对液滴凝并过程的影响。

这次在天上要做的实验,简单来说,就是采用水油体系,在油相中加入适当表面活性剂和染色剂(苏丹红),然后将水油两相同时注入到观测室中,通过条件控制,搅拌桨转速和时间,控制流体混合的状态,并通过显微镜和相机进行拍照记录液滴的聚并和运动等行为,然后通过拍照记录并采用软件分析浓度。

这颗卫星,将要经历发射上天,在轨释放,消旋稳定,在轨测试的过程,之后依次开展科学实验,预计在两周以后,它将会传回第一批数据。地面的科学家们,将会根据这些数据,对其展开理论研究工作。这些研究主要面向化工领域的一些基础问题,其成果对于未来相关产业来说,不仅提升生产效率、降低成本、提高能源利用率,减少不必要的环境污染,陈家镛一号星,将是一个新的起点。