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13人类对宇宙的新探索

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为什么把太空称为人类的第四环境

  陆地、海洋、大气是我们人类和地球上所有生物所处的生存环境,在这些地方几乎处处都有生命现象存在。陆地是地球表面没有被淹没的地方,是人类最主要的活动区域,称为人类的第一环境。而地球表面的大部分地区被海水所淹没,也就是海洋,称为人类的第二环境。地球还被一层厚厚的大气层覆盖,大气虽然没有陆地和海洋那样容易观察,但它是气候变化的重要因素和保护人类免遭宇宙射线和陨星袭击的保护层,被称为第三环境。

  1981年,第32届国际宇航联合会把外层空间定为人类的第四环境。所谓外层空间,一般定义为距地球表面100千米以上高度的空间,也称为太空。

太空发电

  目前,对太空发电研究进展最快的是日本。他们在1994年制造出一颗小型太空发电卫星——PSP2000。它的形状是等边三角柱形,每边长336米,高303米,重240吨。在柱的两面贴有薄膜状的太阳能电池,另一面装有向地面输送的天线。该发电卫星在赤道上空1100千米高的轨道上运行,输出功率为一万千瓦。

  据科学家推算,同样面积的太阳能电池,在太空发电卫星上所发的电量,是在地面上所发电量的10倍以上。这是由于射向地面的太阳辐射能量被地球厚厚的大气层所吸收、反射和散射掉相当部分的缘故。

  太空发电有两大优点:一是可以充分利用太阳能,同时又不会污染环境;二是不用架设输电线路,可直接向空中的飞船和飞机提供电力,也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。

如何修理太空中的卫星?

  在太空中飞行的通讯卫星有时也会出现各种各样的故障。自从有了航天飞机以后,这些价值连城的卫星,也能在宇宙空间修复了。

  一旦在太空中飞行的卫星发生故障,航天飞机便携带修理卫星的宇航员进入太空。待找到失灵的卫星以后,宇航员便点燃一颗短程火箭。

  这枚火箭将一个闪闪发光的银色物体推出航天飞机的货舱,这个物体便是“舱外活动动力装置”。它犹如一张椅子,宇航员背负氧、氮等混合气体装置,坐在上面,作飘飘逸逸的太空散步,走向需要修理的卫星。

  修理卫星工作的顺序表,贴在宇航员的手腕上,他们将按照顺序从事修理,避免忙中出错。在太空服的头盔上有一个工作灯,可以照明。随身携带的通讯设备可以直接与地面联系,随时汇报修理的情况,听取指示。

  在太空执行修理任务时,宇航员也是用特殊的绳索把自己捆绑在舱外活动的动力装置上,从不离开这张椅子。否则,宇航员将永远留在太空中,有成为“流星”的危险。

  宇航员在太空中修理卫星需要150多种工具,他们的腰部都悬挂着一个微型工作台。所谓的工作台,其实就是像一条电工带,上面放着缀上取下相当方便的工具袋。工具袋是用既硬又柔软曲性太空材料制成的,里面主要放常用工具。当需要采用特殊工具时,宇航员借助一条绳索,从航天飞机的货仓里取来工具。

  大多数工具是经过改装而适用于太空飞行的标准工具。用来清理堵塞联动装置的管道切割机,起清理作用的钳、黄铜锤等。

  在太空修理实践中,有一种专门设计的特殊工具“埃塞克斯”,它带有传动装置,用金属铝制成,中间挖空,以便减轻重量。宇航员戴上手套就能握住,宇航员将其顶端蘑菇状的夹子套在螺丝母上,然后用手把螺丝紧固或松开。

  太空工程师还想在太空建立一个维修站,里面可旋转更精巧的工作台。届时,无论是太空站还是通信卫星发生故障,太空维修师可随叫随到。

2012年上火星的衣食住行

  在2012年至2014年期间,宇航员将会进行火星之旅。那时的宇航员将会穿什么上火星,会在火星上吃什么,在太空的生活又是怎样?这些都是人们关心的问题。

  俄罗斯和平号空间站指挥官科尔尊接受记者采访时指出,无论是去月球或火星,宇航员的生活都注定是简单的。现在,宇航员的装备远比30年前上月球时先进;10年后的宇航员会比现在更好,基本方向将会是轻巧和实用,给宇航员更大的方便,令他们执行任务时更加灵活。

  衣:300万美元一件 宇航员的宇航服设计,永远是重量级制作,每件宇航服都是度身订造,而且是全世界最贵的衣物。10年前,一件宇航服要花费40万美金,现在每件需要300万美金!这是一笔庞大的投资。

  宇航服内共有15层质料,主要用作保温、防热、防冷和保护,最外层是玻璃纤维和特氟隆。由于宇航服很重,为确保宇航员行动方便,未来的设计将着重关节部位的灵活性,加设特别柔软护垫,而头盔亦加强预防高温和太阳紫外线的能力。

  食:72种任选 现在宇航员为了建立空间站,开始在近年的太空计划中,进行各种作物耕种实验,初步计划尝试在太空中种植小麦,并且试验在太空煮食。

  现在所有的太空食品,都是由陆地带上去的完全脱水食品,可供选择的食品有72种,全是由商业机构、航空和宇航局的营养师设计和生产,包括蔬菜、鸡蛋、意大利粉、牛肉、生果甚至雪糕等,主要提供足够的碳水化合物和纤维质。

  由于全部是脱水包装,宇航员进食时需把食物加热,这需要半小时,而且味道有差别。新兴建的空间站也有微波炉,而一些航天飞机内已有可口可乐的汽水机。美国的宇航员最为开心,除了可乐外,还有橙汁、咖啡等。

  住:每星期沐浴一次 在太空,洗澡和上厕所是最令人感兴趣的问题。原来宇航员每天都要洗澡,否则,难闻的气味很快便会传遍狭小的舱室,引起同伴的不快。宇航员可以沐浴,但要进入一个像被袋一样的东西内,把身体裹紧,防止水向周围喷出。袋内有香皂和清水射出。清洁好后,真空机便会把身体上的香皂和水抽走。不过,由于带到太空的水有限,沐浴又要很多的水(通常半加仑),加上过程较为复杂和费时,宇航员为了节省用水,平日只用类似海绵的东西,用少许香皂水润湿擦身子便算,沐浴只是每星期一次的“节目”。

  至于去厕所,由于现在设备改良很多,即便是女宇航员亦可放心使用,而为避免如厕时,尿液和粪便会不小心漏出机船,排送设备非常重要。粪便会被带回地球进行化验,而尿液则被送出舱外。

  行:太空易令人骨头脆弱 未来宇航员所肩负的任务,将会愈来愈重,随着空间站一个个建立,他们逗留在太空中的时间亦会逐渐加长。要确保他们在太空中能顺利工作,不发生危险,除了太空衣保护外,还需要有良好的体魄和精神。

  宇航员每天都要在舱内运动,使自己尽快适应太空。因为在地心引力很低的太空中,重量感会突然消失,钙质流失特别快,骨头会特别容易变得脆弱,加上又经常要穿着沉重的宇航服做实验,行动不便,因此要靠运动锻炼好体质。而适当排除苦闷的娱乐就更加重要,有些宇航员会带吉他上太空,闲时一起弹奏歌唱,或与人下棋。

  在太空,不管是月球或火星,在没有时间、没有生命,兼没有早和晚的环境中生活,这对人类是一个重要的考验。

天体上的水

  1998年3月5日,美国宇航局宣布,“月球勘测者”号探测器在月球南北两极附近发现了水。当然,这些所谓水,不是如人们熟悉的液态水,而是混合在月岩月壤之中的冰冻或结晶状态的水物质,它们位于月球环形山的底部。据估算,月球两极区总含水量约1100万吨~3.3亿吨之间,约相当于一个10平方千米、深11米的湖泊水容量。

  1998年4月7日,欧洲航天局宣布,通过红外卫星观测发现,在太阳系内的木星、土星、天王星、海王星和土卫六,还有一些恒星和星际空间的云团中均有水蒸气的存在。美国康奈尔大学的天文学家也宣布,在猎户座大星云中正在形成的恒星周围也发现有水蒸汽存在。这表明恒星在形成过程中,水也起一定作用。

  1997年12月,伽利略号木星探测器发现木卫二上有水的存在。1998年5月,科学家又宣布,木卫二上的海洋覆盖着木卫二20%~30%的表面,海水中有盐的成分,这与地球上的海水成分一样,是咸海。

  探测仍在继续。仅从上述发现可以看出,在地球的近邻——月球上有水,在其他行星上有水,在土卫六和木卫二这样的卫星上也有水,在正在形成的恒星身边和星云中还可能有水。足见,水是多么重要的一种化合物质,水在宇宙间是多么广泛地存在,水参与的物质演化是多么普遍,水绝不是地球上特有的物质。天体演化、物质结构和生命起源是当代自然科学的三大基础理论问题,水在这三个方面都有参与。水和生命的关系,大家很熟悉,水是良好的溶剂,水是生物体新陈代谢的最佳介质,水是生命所需要的第一物质。这就是为什么天文学家们如此关注木卫二和土卫六的道理。

  水在类地天体表面的演化中扮演着十分重要的角色。就金星、地球和火星来说,科学家们认为,金星表面在早期可能和地球上有同样多的水。由于金星比地球离太阳近,它获得的太阳辐射是地球上的约2倍,灼热的阳光使金星上的液态水逐渐蒸发进入到大气层,强烈的太阳紫外辐射又使水蒸汽分解,氢原子逃散到太空,氧和金星表面岩石化合。后来由于金星上没有液态水,金星上火山排出的大量CO2便聚集在大气层里,致使今日的金星大气中CO2占绝对统治地位。火星表面在早期也可能存在大量液态水,但是,火星的体积和质量都比地球少许多。火星形成后,冷却得快,内部活动远不如金星和地球剧烈,火星大气也没有金星和地球大气稠密,液态水也容易蒸发成水蒸汽,然后水蒸汽分解,氢仓皇逃逸到太空,氧与火星表面岩石物质化合成氧化物。观测和考察均已经证实,火星表面的氧化物非常丰富,特别是氧化铁。这就揭示了为什么火星呈红色光辉的机理。

  已知宇宙间最丰富的元素就是氢,氢是合成水的重要原材料。众多天体上和宇宙空间水的发现,表明人类对天体演化、物质结构和生命起源的认识,已进入到一个崭新的阶段,这是合乎逻辑的必然。它郑重地告诉我们:地球是富水的天体,但是水绝不是地球上独有的物质。水是我们非常熟悉的物质,但是水在宇宙中发挥的作用,还有待进一步认识。地外之水的发现,预示着人类对宇宙的认识将要产生重大突破,产生认识史上的飞跃。

月球开发五步曲

  月球是地球人开发的首选天体。

  早期探测月球,只是两个大国竞争,虽然具有开拓性探索性质,但主要是为政治服务,因而很少注意经济性。当前月球探测的总目标则是建立月球基地,开发月球资源,并拟采用国际合作方式,争取科研成果和经济利益获得双赢。

  根据空间大国最近公布的计划,目前人类对月球新一轮开发大致可分5个阶段:

  从20世纪末到21世纪初为第1阶段,此阶段也称为无人阶段。主要是利用探测器调查月球的地形,为基地选址,并画出月球资源分布图等。

  从2005年开始为第2阶段,也称短期滞留阶段。少量人员将在月球上工作几天到几周,开始测量月球岩石铁、铝和氦的含量。登月人员所需的氧气、食物、水和建筑材料等,将从地球用火箭送去。

  从2010年开始进入第3阶段,也称经常居住阶段。届时,将扩大基地,增加居住人员。由于此时月球上已建立了能防止太阳辐射的设施,并已有封闭型的生态系统,数十名的地球工作人员已可在月球上连续工作几个月。他们将在月球上开展制造氧气、合成水和冶炼金属等工作,并研究如何把月球的资源运回地球。

  从2020年起进入第4阶段,也称永久性居住阶段。这时工作人员将增至上百人,他们将建设月球农场和工厂,研究用微波照射等方法提炼氦—3的技术,以解决能源供应问题,并把多余的能源送回地球。

  从2030年开始的第5阶段为移民阶段。这时月球到地球之间将建成定期往返的航线,月球上的居民将完全能做到自给自足。人们将铺设道路,整顿交通,建设起一座座数百人的月球城镇。直到进入22世纪,大概才会出现多达数百万人居住的月球城市。

太空育种 前景诱人

  从20世纪50年代第一颗人造卫星升空以来,空间技术取得了突飞猛进的发展,不仅在通讯、气象、侦察、导航、地球资源调查等方面获得了广泛应用,而且在生命科学研究中也取得了许多重要成果,并诞生了一门新的学科——空间生命科学。

  科学家认为,生命的开始和发展与它所处的环境有密切的关系。在宇宙空间的特殊环境里,强宇宙射线辐射、微重力、高真空、重粒子等条件,都直接影响着生物的生存、生长、衰老、异变,这些都是引起种子变异必不可少的条件,而这些条件在地面上却很难达到。

  为了探索空间条件对植物种子的诱变作用,各国科学家相继进行了试验。1980年,美国将西红柿种子作太空搭载试验。经试验的种子,发芽率高、生长快、长势旺盛,增产达30%~60%,而且果实个大色红,酸甜适中,美味可口,对人体无危害。

  1987年8月5日,在我国发射的第9颗返回式卫星上,中国科学院遗传所的科学家们首次将辣椒、小麦、水稻等一批种子搭载升空,开始了我国太空育种的有益尝试。至今,我国已经先后8次利用返回式卫星将51种植物、300多个品种的农作物种子送上太空,进行诱变处理,返回后进行种植试验,获得了许多生理变异类型品种,从中筛选出了数百个早熟、早产、优质、抗病新品种。

  例如,经过搭载的“农垦58”水稻种子在江西试种,不仅穗长、粒大,有的一株竟长出3~4穗,亩产达600千克,有的高达750千克,其蛋白质含量还增加8%~20%,生长期平均缩短10天。在黑龙江省引进试种的青椒种子,经过几个回合的培育,已产生长势强、高产优质、抗病性强的新品种。水灵灵的大青椒像茄子一般大小,单个青椒平均重量从一般种植的90克提高到160克,有的可达300~400克,并且品质大大提高,个大肉厚,维生素C含量提高了20%~25%。在上海育成的第四代“太空小麦”,长势旺盛,麦穗多而长、麦粒硕大、蛋白质含量提高,并有很强的抗赤霉病能力,亩产可达350千克。西红柿种子经过5年多时间研究,其平均产量增加20%以上,病情指数减轻41.7%。

  对此,我国航天业的有关人士算了一笔账:如果一颗卫星搭载300~400千克的种子,经过地面选育,可推广到1亿亩土地上种植,按亩产增加15%的保守估算,大约亩产可增加40千克,总产可增加240亿千克。这将是一件有巨大经济效益和社会效益的事业。

  我国空间诱变育种,经过10年的探索和研究,已培育出一批优良品种,取得了明显的经济效益,为我国农业育种工作和优质、高产、高效农业的发展,开辟了一条新的有效途径。

空间开发:21世纪的最大产业

  随着人造卫星、宇宙飞船和航天飞机的出现,标志着人类对宇宙空间的探索已由起步进入了成熟。有专家称,空间开发将在21世纪成为世界上最大的产业。

  根据初步资料查明,月球有55种丰富的矿物是地球上所没有的,而且月球上一些元素,具有特殊的性能,如月球上的铁不生锈,带回地球后也不生锈。太阳系内的小行星有数万颗,现在估计可以采矿的有几十颗,而且矿藏量极高。如一颗1600米直径的小行星所含的铁,可供人类世界使用60年。月球上所含的大量元素硅、镍、镁等,正是地球上的紧俏资源。天文学家甚至还发现了一颗全部由黄金构成的星球,它的重量达1000亿吨。

  为此,不少科学家提出开办太空工厂。目前,美国研制的航天飞机可往返太空,每周发送一次,可运30吨物资,被认为是运送开采人员、采掘设备和矿石或成品的运载工具。在宇宙空间,100克羽毛和1公斤铅块重量相等,油和水可很好溶合。利用这一特点,可在太空工厂冶炼铝钨合金,铝熔点很低只有600℃,钨的熔点却在3400℃以上。在地球上冶炼铝钨合金难以实现,而在太空工厂冶炼完全可以熔合,再带回地球时,仍能保持结合时状态。在地球上冶炼金属需用坩埚,锅底的沉淀物会污染锅内最末一批产品。但在太空工厂中可采取无容器熔炼法,熔炼物质都飘在空中,可熔炼出完美无缺、纯度极高的晶体产品。

  人们还梦想着在太空收集太阳能,并把它送到地球变成电能。科学家认为,太空中没有空气对阳光的吸收和反射,没有昼夜和季节的变化,不受重力的影响,所以太阳能接受器可以做得很大,而且长期使用无需维修,同样的面积能够收集到比地球多几倍的能量。现在,人类已掌握了开发太空的技术,只是由于造价太高,在商业上还没有实用价值。根据科学家的幻想,开发太空能源的基本技术包括收集太阳能的光电极、微波发射器和接收器以及卫星发射到地面接收站上空3.3万千米的地球轨道固定点。这些卫星除了昼夜平分前后那一小段时间外都能避开地球的阴影。卫星上的光电极收集足够的太阳能,使电子汞原子或氩原子中脱落出来,从而获得带电粒子或离子,变成高速微波发射到地面接收站。接收站直径7.5千米的接收天线,由能把微波转变成电流的金属和把这些电流以交流电变成直流电的整流器组成,接收站的发电功率可达50亿瓦,相当于5个大型核电站。专家们认为,一组能向地面传回50亿瓦功率微波的卫星,很可能重达5500吨,而现在发射的卫星最多重10-15吨,因此,要将重达5000吨的卫星一次送上轨道,目前来说是不可能的,必须分开来发射上去,然后再进行组装。

  另外,据科学家推测,在月球上,同位素氦—3的储备相当可观,而地球上的储备量很少。这种物质是核聚变过程的重要原料,能产生出大量的能量。据统计,1吨氦—3能提供一个1000万人口的城市一年的供电,一般宇宙飞船一次能携带25吨。

  由此观之,人类所进行的空间开发活动,将成为21世纪的最大产业。


作者:along 来源:本站原创 发布时间:2004年08月07日
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