上天去，做一场化工实验

　　北京时间2017年2月15日11时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。
　　你说什么？国际上发射过得各种目的的实验卫星多得都已经快把太空变垃圾场了，单是去年中国就发射十多个航天器，包括天宫二号，实践十号 ，墨子号和悟空号等。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。
　　为什么这次又可以实现上天做化工实验？ 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以商业航天公司，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科学院过程所，中国科学院力学所和中国商业航天公司天仪研究院，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。
　　“陈家镛一号星”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。
　　 液滴的聚并与分散
　　为什么要研究液滴的聚并与分散？
　　先允许我以红酒举例说明一番，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”。

葡萄酒的挂杯现象其原理马伦哥尼效应

　　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。
　　 化工反应器的放大效应示意图
　　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。
　　为什么要在天上做这个实验？
　　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。
　　怎么在天上完成这个实验？ 
　　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，之后依次开展四项科学实验，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。

陈家镛一号星纪念徽章

　　探索宇宙和地球，小卫星将要发挥重要作用。

　　（本文来源：天仪研究院）

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