想在太空喝口熱茶，水該如何加熱？在太空中會(huì)不會(huì)得蛀牙，牙疼怎么辦？蜘蛛在失重狀態(tài)下還能結(jié)網(wǎng)嗎？……

　　別著急，來自北京市第一零一中學(xué)的孩子們，為探究這些問題的答案已經(jīng)做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由中國科協(xié)、中國科學(xué)院、中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團(tuán)公司主辦，中國科協(xié)青少年科技中心、中國宇航學(xué)會(huì)承辦的“2017年空間站搭載青少年科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案征集活動(dòng)”于日前公布了評(píng)審結(jié)果。北京市第一零一中學(xué)的創(chuàng)意少年們拿下兩個(gè)一等獎(jiǎng)、三個(gè)三等獎(jiǎng)。

　　主辦方表示，根據(jù)我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略，我國將于2022年前后建成空間站并正式運(yùn)營(yíng)。活動(dòng)將選出優(yōu)秀獲獎(jiǎng)作品并對(duì)獲獎(jiǎng)學(xué)生進(jìn)行表彰獎(jiǎng)勵(lì)，同時(shí)將舉辦航天訓(xùn)練營(yíng)，在專家指導(dǎo)下對(duì)部分獲獎(jiǎng)作品進(jìn)行完善，并最終選出部分作品作為空間站太空探索實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)備選方案。

　　太空中燒水能更快一些嗎？

　　《探究太空中水的傳熱規(guī)律實(shí)驗(yàn)方案》是榮獲此次比賽一等獎(jiǎng)的十個(gè)項(xiàng)目之一，這一項(xiàng)目背后的主導(dǎo)者是北京市第一零一中學(xué)的高二學(xué)生鄧櫳濤。談及設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目的初衷，鄧櫳濤說自己還是受到了一群美國高中生的啟發(fā)。原來，在得知“中國空間站青少年科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”之后，鄧櫳濤立馬就產(chǎn)生了濃厚的興趣，投入到了知網(wǎng)、美國航空航天局的海量資料中。一次在登錄美國航空航天局官網(wǎng)時(shí)他看到，美國有一群高中生做了一個(gè)關(guān)于太空中空氣傳熱的實(shí)驗(yàn)，為的是解決國際空間站電路和電子設(shè)備的散熱問題。“那我是不是可以探究一下水的傳熱規(guī)律呢？”

　　進(jìn)一步了解后他發(fā)現(xiàn)，目前太空中對(duì)水的加熱方式并不理想：加熱機(jī)器笨重，加熱不均勻，加熱效率低，對(duì)資源浪費(fèi)較大。比如，“星辰號(hào)”服務(wù)艙烤箱加熱2千克左右的食品，就需要20分鐘到30分鐘。“因?yàn)樵谠谲壓教炱魉幨е丨h(huán)境下，液體內(nèi)部不存在因密度差導(dǎo)致的浮力作用，也就是說，冷水熱水不會(huì)因密度差別而產(chǎn)生冷熱對(duì)流，所以在微重力環(huán)境下液體的傳熱規(guī)律與地面有所不同。”鄧櫳濤解釋道，探究出太空中水的傳熱規(guī)律之后，就可以為將來對(duì)太空水加熱方式與加熱器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

　　為此，鄧櫳濤設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)：一組在地面進(jìn)行，一組在空間站中進(jìn)行；分別分析時(shí)間與溫度變化的關(guān)系。鄧櫳濤解釋說，根據(jù)理論推導(dǎo)，因?yàn)榈孛鎸?shí)驗(yàn)受重力場(chǎng)影響，在加熱的過程中存在熱對(duì)流現(xiàn)象，所以在地面環(huán)境中加熱的效率較高；而在太空中對(duì)密閉容器中的水加熱時(shí)，熱只通過熱傳導(dǎo)的方式傳播，不會(huì)有熱對(duì)流的產(chǎn)生，因此地面組實(shí)驗(yàn)的加熱效率應(yīng)該比太空組的快。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，我們可以得出太空中水的導(dǎo)熱率。“如果理論推導(dǎo)結(jié)論得以驗(yàn)證，以后在太空中對(duì)水加熱時(shí)，就可以引入一個(gè)離心力場(chǎng)使水中產(chǎn)生熱對(duì)流，從而來提高水的加熱效率。”

　　蜘蛛在太空中還能結(jié)網(wǎng)嗎？

　　北京市第一零一中學(xué)初一年級(jí)韓佳的項(xiàng)目是《微重力環(huán)境下的蜘蛛結(jié)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)》，這個(gè)項(xiàng)目在比賽中獲得了三等獎(jiǎng)。他說，設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目更多的是源自自己的好奇心。有次上體育課自由活動(dòng)時(shí)，他觀察到了柵欄上一只正在結(jié)網(wǎng)的蜘蛛，聯(lián)想到方案設(shè)計(jì)活動(dòng)，便突發(fā)奇想，“蜘蛛在太空中會(huì)結(jié)網(wǎng)嗎？如果會(huì)的話，結(jié)的又會(huì)是什么形狀的網(wǎng)呢？”

　　查閱資料后，韓佳發(fā)現(xiàn)，地面環(huán)境與太空環(huán)境的不同，還真有可能對(duì)蜘蛛結(jié)網(wǎng)造成一定影響：在地面環(huán)境時(shí)，蜘蛛通過重力判斷方向，結(jié)網(wǎng)時(shí)也可以通過重力來實(shí)現(xiàn)蛛絲的下垂，并根據(jù)風(fēng)向?qū)ふ夜讨c(diǎn)，從而完成第一根絲的架設(shè)。

　　而在太空的微重力環(huán)境下，蜘蛛結(jié)網(wǎng)又會(huì)是怎樣的情形呢？韓佳做了4種情況的假設(shè)：一種是蜘蛛無法適應(yīng)微重力環(huán)境，在微重力環(huán)境下無法進(jìn)行捕食，數(shù)天后逐漸萎靡，直至死亡；一種是蜘蛛在微重力環(huán)境下無法正常爬行，因此無法織網(wǎng)；稍微樂觀的情況是，蜘蛛可以正常生存，但由于微重力環(huán)境影響，蜘蛛吐出的絲在空中雜亂分布，最終粘連在一起，無法實(shí)現(xiàn)蛛網(wǎng)的編織；最后一種情況與之類似，由于沒有重力，蜘蛛無法判斷行走的方向，最終織出的網(wǎng)不是平面，而是雜亂無章的。

　　為了驗(yàn)證自己的假設(shè)，韓佳設(shè)計(jì)了一個(gè)鏈條完整的生態(tài)箱：蜘蛛、供蜘蛛食用的果蠅、果蠅食物；為了方便蜘蛛的爬行，要把生態(tài)箱四周內(nèi)壁進(jìn)行粗磨砂處理，并粘上特殊的無紡布。按照方案征集活動(dòng)的要求，參與者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不需要額外的氣、液體支持，因此，韓佳又在生態(tài)箱里設(shè)置了釋放氧氣、吸收二氧化碳的植物。此外，為了保證蜘蛛的正常生存，還需要為蜘蛛提供適宜的溫度和濕度，因此在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)又設(shè)計(jì)安裝了自動(dòng)的溫度控制裝置和濕度控制裝置；同時(shí)裝有攝像頭和照明燈，用于觀察蜘蛛在太空中的生活和織網(wǎng)過程。

　　“版本改了好多次，一次比一次具體。”韓佳在一次次反復(fù)的完善過程中感受到了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，比如，最后一個(gè)版本中，經(jīng)老師的指導(dǎo)，韓佳加上了所設(shè)計(jì)生態(tài)箱的圖紙，包括俯視圖、正視圖等。

　　“我希望通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以分析出微重力對(duì)節(jié)肢動(dòng)物生存的影響，以及微重力對(duì)蜘蛛織網(wǎng)過程的影響，為其他動(dòng)物進(jìn)行微重力生存實(shí)驗(yàn)提供參考。”

　　在空間站得了齲齒怎么辦？

李約

　　來自北京市第一零一中學(xué)初中二年級(jí)的李約飽受牙病困擾，“一家人牙都不好，每次看牙時(shí)都很痛苦。”因此，在得知空間站實(shí)驗(yàn)方案征集活動(dòng)時(shí)，他第一時(shí)間做了情感遷移，“如果真在天上犯了牙疼，來回一趟可不容易。”

　　于是，李約把主題瞄向了導(dǎo)致齲齒的主要致病菌——變異鏈球菌，“空間站治療條件有限，所以最好還是不要得病，我就想了解導(dǎo)致齲齒病害的菌在空間站的生長(zhǎng)情況。”李約了解到，其實(shí)空間環(huán)境對(duì)微生物的影響此前早有相關(guān)研究，微生物的致病性、生長(zhǎng)繁殖速度等生物學(xué)性狀在空間環(huán)境中都表現(xiàn)出了明顯變化，比如，在對(duì)感染鼠傷寒沙門氏菌小鼠的致死率研究中發(fā)現(xiàn)，尾懸吊小鼠口腔接種鼠傷寒沙門氏菌實(shí)驗(yàn)的致死劑量較正常小鼠接種劑量顯著減少，沙門氏菌在微重力處理 83小時(shí)后毒力更強(qiáng)，感染小鼠的死亡率為地面對(duì)照菌的3倍。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，空間環(huán)境能使致病菌產(chǎn)生不能被機(jī)體免疫系統(tǒng)識(shí)別或被抗生素清除的生物保護(hù)膜，從而導(dǎo)致細(xì)菌的致病性增強(qiáng)。

　　會(huì)導(dǎo)致齲齒的變異鏈球菌又是什么情況呢？李約設(shè)置了地面和空間兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，觀察細(xì)菌在不同環(huán)境下的生長(zhǎng)曲線，以此確認(rèn)空間環(huán)境是否會(huì)加速變異鏈球菌的生長(zhǎng)速度。此外，由于變異鏈球菌是通過分泌酸性物質(zhì)來腐蝕牙釉質(zhì)，因此通過測(cè)定培養(yǎng)基的pH值，可以來驗(yàn)證空間環(huán)境是否會(huì)讓變異鏈球菌變得更酸，從而增強(qiáng)了對(duì)牙齒的破壞作用。

　　李約顯然并不滿足于僅僅觀察致病菌的變化，萬一在太空中真的牙疼，用藥效果如何？跟地面相比是不是也有所區(qū)別？因此，他又設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以明確空間環(huán)境對(duì)變異鏈球菌耐藥能力的影響。

　　李約希望，自己最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以為在空間站發(fā)生口腔疾病的航天員提供用藥指導(dǎo)。（記者 牛偉坤）

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