在太空中烧开水难道不是为了喝？

人从未比在太空行走时显得更为渺小，或更为伟大

语宙

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沸腾的太空

看过航天员王亚平在“天宫一号”空间实验室授课的亲们都知道，在太空中航天员无法用敞口水杯喝水。微重力环境下的水会漂浮在空中，如果不及时用吸水纸吸掉飘进电子设备里，有可能会造成电路短路或传感器失效，进而影响航天器的安全。所以航天员喝水用下图中的水袋，通过吸管吸着喝。

▲我国航天员的饮水袋（来源：CCTV）

作为宇宙第一喝热水大国（亲测在美国管别人要hot water，对方会关切地询问你是不是生病了）的我们忍不住要问了，如果想喝热水怎么办？烧开水吗？卖个关子，咱们先讨论下烧开水的科学过程。

第一阶段：热对流（Thermal convection）——

最初是热传导过程，即容器受热把热量传导给水，但是严格意义上讲，只有在固体中才有纯粹的热传导，在液体中会由于温度梯度造成密度不均匀而形成对流。最初的加热过程中容器底部的热量最集中，所以靠近容器底部的水升温速度要比水面的水升温速度快，这就形成了温度梯度：底部的水温较高，密度变小而上浮，上层的水温度较低密度大而下沉，从而形成了对流。因此，在烧水的初期，热对流与热传导同时发生。

第二阶段：核沸腾/泡核沸腾（Nucleate boiling）——

刚听到“核沸腾”时，不知道大家怎么想，我的第一反应是核武器、核电站，离我们的生活太遥远了！但其实这个现象确确实实地发生在我们每天的烧开水过程中。我来给大家解释下什么叫核沸腾。

核沸腾是指发生在固体到液体界面上的一种传热形式。当容器与水的温差增大到一定程度时，由于受热的容器表面并不是完美光滑的，有很多微小的空穴里面藏有气体，气体受热逸出，这些逸出的气体带来了最初的汽化核。汽化核是液体沸腾的必要条件，没有汽化核的情况下，即使水被加热到沸点也不会沸腾，水的温度会继续升高，成为过热液体。当容器底部温度超过水的沸点4℃以上、并且有汽化核的条件下，液体才能围绕汽化核剧烈汽化，产生大量汽泡，这就是核沸腾现象。

第三阶段：过渡沸腾（Transition boiling）——

过渡沸腾又称偏离核沸腾，当容器温度超过水的沸点约30°C~120°C时，发生过渡沸腾。在过渡沸腾过程中，气泡的形成非常快，蒸汽膜开始在容器底部壁面形成。随着温差增大、大量的蒸汽形成，蒸汽膜所覆盖的面积也在扩大，使水不能连续接触容器壁面，难以从被加热容器获得热量，传热系数开始减小。在蒸汽膜覆盖的过渡沸腾区中，水有时会重新流回去与容器壁面接触，再次成为泡核沸腾。因此，实际上它是核沸腾与膜沸腾随时间和空间互相交替的一种沸腾过程。

▲过渡沸腾示意图

第四阶段：膜沸腾/膜态沸腾（Film boiling）——

模态沸腾是指在加热壁面上生成一层连续的蒸汽膜覆盖容器壁面产生蒸汽的现象，该现象可在普通锅炉的蒸发管、核电厂蒸汽发生器传热管、反应堆堆芯冷却剂通道中见到。日常烧水很难到达膜态沸腾阶段。

▲水各个沸腾阶段的热交换过程（来源：Wikipedia）

接下来，看看NASA和ESA在太空中开展的烧开水实验。2011年2月24日，“发现号”航天飞机发射到国际空间站，进行了沸腾现象研究实验（BXF-NPBX）。核池沸腾实验（NPBX：Nucleate Pool Boiling Experiment，又称无浮力沸腾实验）是新的沸腾实验装置（BXF）中的两个实验之一。NPBX实验中使用了一个抛光的铝晶片，由背面连接的加热器为其提供热量，还有5个可以单独控制的装配式空腔，实验将研究在这些空腔中产生的单个和/或多个气泡，测量提供给每个加热器组的功率。摄像头记录气泡的动力，对加热器功率数据和记录图像的分析使研究人员能够确定气泡动力学和传热在微重力下与在地球上的差异。

▲NPBX实验：在地球重力和太空微重力

环境下的沸腾气泡(来源：NASA)

2020年6月9日，ESA官网发布了一篇关于微重力沸腾实验的报道，报道显示科学家开展了在微重力环境下的沸腾过程中施加电场、在微重力状态下测试两相流传热等实验项目，研究相变和气泡的产生等现象。

回到我们的问题——为什么要在太空中烧开水？真的不是为了喝。

航天员要喝热水，将水袋放入一个叫做“食品加热装置”的设备中，原理类似于咱们的家用电烤箱，叮一下就可以喝啦！因此，这个问题准确地说应该是：为什么要在太空中进行沸腾实验？

从Heat Transfer for Water那张图可以看出，沸腾对传热速率有显著影响，这种传热过程有助于快速有效地带走在传热表面的热量。简而言之，沸腾现象可以被用于进行设备冷却！

了解沸腾的动力学对于提高发电厂的能量生产和转换、以及设计未来的空间应用——如低温燃料储存和推进，都是至关重要的。在地球上，沸腾这个过程发生得太快，难以精确观测和测量。但在微重力环境中，科学家能够更清楚地观察到相变和气泡产生等现象。

沸腾是一种非常有效的方法，可用于冷却在空间极端环境下使用的工程组件和系统。通过实验，研究人员能够更好地设计和操作利用沸腾进行有效散热的空间系统。加州大学洛杉矶分校的主要研究人员维杰·迪尔说：“通过研究沸腾，用于空间系统的热交换设备的尺寸和重量有望显著减小。”而我们都知道，体积和重量的减轻对于空间探索意义重大。

盼望着我国科学家在中国空间站上开展热力学实验！

Boiling Bubbles are Cool in Space,

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/npbx.html

http://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2020/06/Boiling._We_research._You_benefit

Nucleate boiling,

https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleate_boiling