第七讲 空间真空的应用
责任编辑：chineselng 浏览：2432次 时间： 2008-04-06 13:02:49
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摘要:浩瀚无垠的太空是一个无菌、高真空、高洁净、微重力（失重）的世界，这种得天独厚的特殊的自然环境，可以完成地面上无法做到的事情。因此，美俄两国都在自己的空间站或航天飞机上建有专门的生产车间，已成功地生产出高纯度的生物药品、特殊的合金材料、高质量的巨型..
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浩瀚无垠的太空是一个无菌、高真空、高洁净、微重力（失重）的世界，这种得天独厚的特殊的自然环境，可以完成地面上无法做到的事情。因此，美俄两国都在自己的空间站或航天飞机上建有专门的生产车间，已成功地生产出高纯度的生物药品、特殊的合金材料、高质量的巨型单晶、高透明度的磁性光学玻璃、高纯通信光纤及理想圆度的滚珠、高温涡轮叶片等。航天器的应用涉及到军事、天文观测、遥感、气象、通讯、生命科学第多种学科领域，也担负着寻求宇宙之谜和进行一系列的空间科学实验任务。正在建造中的国际空间站将耗资600亿美元，计划竣工日期是2006年。这就意味着在新世纪中科学家可以用最现代化的工具进行生物、化学、物理、生态、医药等尖端科学实验。空间科学实验有两种方法进行选择。一种方法是利用航天器舱外的天然真空环境。这些实验有助于揭示长期置于外部空间的环境条件下对物质的影响。另一种方法是在航天器内部进行。这时许多实验都有共用的真空抽气系统。当然，这类抽气系统必须具备性能好、重量轻的要求。后一种方法在航天科学实验中应用较多，因为有利于宇航员进行操作和控制。这一讲中所介绍的空间真空的应用大多是在航天器内进行的。 1 半导体材料 在我们举办的基础知识讲座第四讲“半导体材料的研制和应用” 中就已指出：GaAs是具有代表性的第二代半导体材料。在国内外多次进行的航天科学实验中，GaAs的提纯和生长都是首选的科研项目之一。空间晶体的提纯和生长实验是在航天器内部在特制的提纯和晶体生长炉中研制新型的半导体材料。在航天飞机上，已将钨片通入电流加温至2260 ℃再利用电子束继续增温至3360 ℃，钨片熔化形成一串球形体，迅速冷却，从而制造出球形单晶钨。GaAs是目前用途最广的半导体材料，又是制造集成电路最理想的材料.美国1990年在太空生产了40 kg，价值达4000万美元。美国已列出几十种能够在太空生产的半导体产品，到2000年，空间民用项目的年度收入可达到650亿美元，年税收可达130亿美元。如果在地面上生产，一方面投资巨大，另一方面受重力影响，地面生产的GaAs杂质多、质量差。曾两次长期在空间站工作的前苏宇航员柳明，一个人就制取了GaAs半导体材料样品69枚。 2 生物医药材料 一些高纯特效生物药品，采用电泳法提纯，若在地面上进行其效率极低，如提取100 mg干扰素，需要3000 L人血，根本无法临床使用。若在太空中进行，其效率是地面的400~800倍，纯度是地面产品的5倍，在太空生产1个月相当于在地面生产30~60年的产量。又如激素的提取，由于地面重力作用和空气中的杂质，从而限制了所要求的高纯度，在太空中进行就变成可能。俄罗斯已成功地在太空生产出流感疫苗。美国已选20余种价值在140~3000万美元/克的药物准备在太空生产，预计到2010年太空制药年产值将达到600亿美元。流感疫苗，美国宇航员4次生产出预防突发性心肌梗的药品。世界卫生组织统计，全世界大约每年每3个人就需要一支疫苗，以预防各种流行病，到目前为止已知病毒有5000多种，要想在地面全部提纯所有疫苗简直是不可能的，而太空则是理想的纯化工厂。据测算，在天上生产药物一个月的产量相当于地球上同样设备的20年的产量。 3 其它材料 重量轻、熔点高、性能稳定的铝钨合金是人们期望的理想材料，然而铝的熔点只有660 ℃，而钨达3410 ℃，两种金属加热熔炼，当铝气化时钨仍于固态，无法熔为一体。在太空失重的环境中铝钨可彻底融合，经过浇铸，已经生产出多孔海绵铝钨合金。 1984年，美国曾在航天飞机上生产出一种用于电子显微镜、微过滤器的聚苯乙烯乳胶球，其直径达4.98 μm，是地面制造的2.5倍，并形成了年产值3000万美元的产业.有专家分析认为，大约再过50年，人类将面临煤炭、石油和天然气等现在在广泛应用的传统能源严重匮乏。而核反应堆要产生大量的核废料，且铀的储量有限；目前正在发展的重氢和超重氢反应的热核反应堆会形成强大的辐射。综上所述，有人认为未来解决能源的途径可能是“He--3”同位素热核反应堆，因为它既无中子辐射，也没有放射性污染。然而，地球上的“He--3”储量非常有限，无法大量生产能源，可月球表面的尘埃中“He--3”储量百万吨以上，足够人类千年利用。科学家计划发射太空飞行器，用其携带的设备收集月球上的尘埃，从中将“He--3”分离出来，使其变成液体后带回地球。 美国1984年在航天飞机上还生产了一种用于电子显微镜、微过滤器的聚苯乙稀乳胶小球，它在地面生产的最大直径只可做到2 μm，且不同材料分层严重，小球质量无法保证，而在天上生产的小球直径可达4．98 μm，材料混合均匀。几年后这种小球就形成了年产值达3000万美元的产业。 4 空间育种 空间育种起步于60年代，目前世界上只有美国、俄罗斯和中国三个国家成功地进行了卫星搭载“太空育种”。我国是1987年开始将蔬菜等农作物种子搭载卫星上天的。在此后的十多次太空搭载育种中，相继进入太空的农作物达50个大类、400多个品种，主要有青椒、番茄、黄瓜、丝瓜、胡罗卜、莴苣等蔬菜种子，还包括水稻、小麦、高粱等粮食作物和花卉草木等种子。 据新华社11月28日报道，我国准备发射第一颗专门用于农作物种子搭载空间育种的返回式“种子卫星”。目前发射所需的各种技术条件已经具备，国家农业部、中国空间技术研究院以及中科院正在积极做好各项准备工作，一旦时机成熟，即可操作实施。利用返回式卫星搭载农作物种子，开展空间育种技术研究和探索，是发展现代农业的一项全新尝试，也为培育更多农作物优质良种，实现农业高产、优质、高效开辟了诱人的前景。在此之前，我国已成功地完成了十多次农作物种子卫星搭载育种试验，并培育出了“太空水稻”、“太空小麦”、“太空青椒”、“太空番茄”等一批变异性优质作物良种。专门为开展农作物空间育种发射返回式卫星，这在世界上也是首次。以往进行“太空育种”均只能有少量的作物种子可以搭载，即将发射的“种子卫星”预计可搭载250～300 kg作物种子，包括各类粮食、蔬菜、水果、苗木等种子。去年１１月２１日我国发射成功的“神舟号”飞船就携带了十多种植物种子上天. 广州“绿之圣”公司已首次从美国和日本买回的空间种子有１０种之多. 它们是太空黄金椒、太空绿宝岛甜椒、太空七彩椒、太空一号番茄、太空四号番茄、太空ＯＫＳＯＤ番茄、太空樱桃番茄、太空金王子西瓜系列、太空宫廷玉米系列和番茄椒。“空间种子”非常昂贵，价钱在５０至８０元人民币一克。出于保险起见，每粒种子都是在国外发了芽之后，才运来广州的。“太空种子”都只能种一次，为了不永远依赖进口，“绿之圣”公司已经联合中山大学和华南农业大学的专家们一起研究“空间种子”。 太空育种只是利用太空中特殊的宇宙射线、微重力、高真空等条件，诱使作物种子发生基因突变和染色体畸变的一种方式，在此过程中，作物种子基因变异并非因为导入其他基因而发生，属自身发生的畸变，并没有其他有害基因的参与，所以不会影响和危害人体健康。 5 小结 空间真空的应用范围十分广泛，当然也需要较大的投入。空间真空的应用所取得的成果将是人类的共同财富。空间真空的应用的商业化将引导工业领域开发更多的新产品。我国的空间真空的应用工作早已开始起步并取得了一定的成绩，随着我国经济实力的不断增强，我国的空间科学实验工作必然会取得更多更大的成就。 |
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