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中學生的太空探索:蜘蛛在太空中還能結網嗎?
2018-06-19 16:21:42 來源: 北京晚報
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  想在太空喝口熱茶,水該如何加熱?在太空中會不會得蛀牙,牙疼怎麼辦?蜘蛛在失重狀態下還能結網嗎?……

  別著急,來自北京市第一零一中學的孩子們,為探究這些問題的答案已經做了詳細的實驗設計。由中國科協、中國科學院、中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團公司主辦,中國科協青少年科技中心、中國宇航學會承辦的“2017年空間站搭載青少年科學實驗方案徵集活動”于日前公布了評審結果。北京市第一零一中學的創意少年們拿下兩個一等獎、三個三等獎。

  主辦方表示,根據我國載人航天工程“三步走”戰略,我國將于2022年前後建成空間站並正式運營。活動將選出優秀獲獎作品並對獲獎學生進行表彰獎勵,同時將舉辦航天訓練營,在專家指導下對部分獲獎作品進行完善,並最終選出部分作品作為空間站太空探索實驗室的實驗備選方案。

  太空中燒水能更快一些嗎?

鄧櫳濤和輔導教師

  《探究太空中水的傳熱規律實驗方案》是榮獲此次比賽一等獎的十個項目之一,這一項目背後的主導者是北京市第一零一中學的高二學生鄧櫳濤。談及設計這個項目的初衷,鄧櫳濤説自己還是受到了一群美國高中生的啟發。原來,在得知“中國空間站青少年科學實驗計劃”之後,鄧櫳濤立馬就産生了濃厚的興趣,投入到了知網、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時他看到,美國有一群高中生做了一個關于太空中空氣傳熱的實驗,為的是解決國際空間站電路和電子設備的散熱問題。“那我是不是可以探究一下水的傳熱規律呢?”

  進一步了解後他發現,目前太空中對水的加熱方式並不理想:加熱機器笨重,加熱不均勻,加熱效率低,對資源浪費較大。比如,“星辰號”服務艙烤箱加熱2千克左右的食品,就需要20分鐘到30分鐘。“因為在在軌航天器所處失重環境下,液體內部不存在因密度差導致的浮力作用,也就是説,冷水熱水不會因密度差別而産生冷熱對流,所以在微重力環境下液體的傳熱規律與地面有所不同。”鄧櫳濤解釋道,探究出太空中水的傳熱規律之後,就可以為將來對太空水加熱方式與加熱器的設計提供理論基礎。

  為此,鄧櫳濤設計了兩組實驗:一組在地面進行,一組在空間站中進行;分別分析時間與溫度變化的關係。鄧櫳濤解釋説,根據理論推導,因為地面實驗受重力場影響,在加熱的過程中存在熱對流現象,所以在地面環境中加熱的效率較高;而在太空中對密閉容器中的水加熱時,熱只通過熱傳導的方式傳播,不會有熱對流的産生,因此地面組實驗的加熱效率應該比太空組的快。通過實驗數據的記錄,我們可以得出太空中水的導熱率。“如果理論推導結論得以驗證,以後在太空中對水加熱時,就可以引入一個離心力場使水中産生熱對流,從而來提高水的加熱效率。”

  蜘蛛在太空中還能結網嗎?

韓佳

  北京市第一零一中學初一年級韓佳的項目是《微重力環境下的蜘蛛結網實驗》,這個項目在比賽中獲得了三等獎。他説,設計這個項目更多的是源自自己的好奇心。有次上體育課自由活動時,他觀察到了柵欄上一只正在結網的蜘蛛,聯想到方案設計活動,便突發奇想,“蜘蛛在太空中會結網嗎?如果會的話,結的又會是什麼形狀的網呢?”

  查閱資料後,韓佳發現,地面環境與太空環境的不同,還真有可能對蜘蛛結網造成一定影響:在地面環境時,蜘蛛通過重力判斷方向,結網時也可以通過重力來實現蛛絲的下垂,並根據風向尋找固著點,從而完成第一根絲的架設。

  而在太空的微重力環境下,蜘蛛結網又會是怎樣的情形呢?韓佳做了4種情況的假設:一種是蜘蛛無法適應微重力環境,在微重力環境下無法進行捕食,數天後逐漸萎靡,直至死亡;一種是蜘蛛在微重力環境下無法正常爬行,因此無法織網;稍微樂觀的情況是,蜘蛛可以正常生存,但由于微重力環境影響,蜘蛛吐出的絲在空中雜亂分布,最終粘連在一起,無法實現蛛網的編織;最後一種情況與之類似,由于沒有重力,蜘蛛無法判斷行走的方向,最終織出的網不是平面,而是雜亂無章的。

  為了驗證自己的假設,韓佳設計了一個鏈條完整的生態箱:蜘蛛、供蜘蛛食用的果蠅、果蠅食物;為了方便蜘蛛的爬行,要把生態箱四周內壁進行粗磨砂處理,並粘上特殊的無紡布。按照方案徵集活動的要求,參與者在進行實驗設計時不需要額外的氣、液體支持,因此,韓佳又在生態箱裏設置了釋放氧氣、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,因此在實驗箱內又設計安裝了自動的溫度控制裝置和濕度控制裝置;同時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過程。

  “版本改了好多次,一次比一次具體。”韓佳在一次次反復的完善過程中感受到了科學研究的嚴謹性,比如,最後一個版本中,經老師的指導,韓佳加上了所設計生態箱的圖紙,包括俯視圖、正視圖等。

  “我希望通過這個實驗設計,可以分析出微重力對節肢動物生存的影響,以及微重力對蜘蛛織網過程的影響,為其他動物進行微重力生存實驗提供參考。”

  在空間站得了齲齒怎麼辦?

李約

  來自北京市第一零一中學初中二年級的李約飽受牙病困擾,“一家人牙都不好,每次看牙時都很痛苦。”因此,在得知空間站實驗方案徵集活動時,他第一時間做了情感遷移,“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,我就想了解導致齲齒病害的菌在空間站的生長情況。”李約了解到,其實空間環境對微生物的影響此前早有相關研究,微生物的致病性、生長繁殖速度等生物學性狀在空間環境中都表現出了明顯變化,比如,在對感染鼠傷寒沙門氏菌小鼠的致死率研究中發現,尾懸吊小鼠口腔接種鼠傷寒沙門氏菌實驗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小時後毒力更強,感染小鼠的死亡率為地面對照菌的3倍。此外,研究還發現,空間環境能使致病菌産生不能被機體免疫係統識別或被抗生素清除的生物保護膜,從而導致細菌的致病性增強。

  會導致齲齒的變異鏈球菌又是什麼情況呢?李約設置了地面和空間兩組對照實驗,觀察細菌在不同環境下的生長曲線,以此確認空間環境是否會加速變異鏈球菌的生長速度。此外,由于變異鏈球菌是通過分泌酸性物質來腐蝕牙釉質,因此通過測定培養基的pH值,可以來驗證空間環境是否會讓變異鏈球菌變得更酸,從而增強了對牙齒的破壞作用。

  李約顯然並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別?因此,他又設計了對照實驗,以明確空間環境對變異鏈球菌耐藥能力的影響。

  李約希望,自己最終的實驗結果,可以為在空間站發生口腔疾病的航天員提供用藥指導。(記者 牛偉坤)

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【糾錯】 責任編輯: 邱麗芳
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