超重力场如何演绎“一眼万年”

本报记者 窦瀚洋

网友：近期看到新闻，位于浙江杭州的大国重器又有好消息——超重力离心模拟与实验装置正式启用了部分核心设备。我想知道这个装置是用来做什么的？“解锁”了什么黑科技？

编辑：超重力是指在比地球重力加速度大得多的环境下物质所受到的力。超重力离心模拟与实验装置可以带来“时空压缩”的“超能力”，帮助科学家进行以往不可能的实验。本期“院士讲科普”，我们请超重力离心模拟与实验装置首席科学家、中国科学院院士、浙江大学教授陈云敏讲解这一装置如何演绎“一眼万年”。

在浙江杭州城西科创大走廊，一座白顶红墙的建筑格外显眼，这里有国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置(CHIEF)。前不久，装置部分核心设备正式启用。这套由我国完全自主研发的大科学装置，能够模拟超过地球重力千百倍的“超重力场”，在科研上实现“时空压缩”。

为探索物质运动规律提供极端实验条件

科学家通常将地球表面的重力加速度称为常重力，比常重力小的称为微重力，而大于它的就是超重力。

生活中，人们有时也会感受到超重力的存在。“比如坐过山车时面部的拉扯感，飞机爬升时的压迫感，这些都是。”陈云敏说，对超重力的科学研究，可以帮助我们突破现有的认知边界。

陈云敏介绍，超重力离心模拟与实验装置的核心设备CHIEF1300如同一个巨人抡动双臂，带动末端的吊篮高速飞旋，创造出强大的超重力场。而超重力离心机通过高速旋转产生的离心力，模拟出百倍乃至千倍于地球重力的“人造重力场”。得益于极端重力条件下产生的诸多效应，研究人员能够探寻地质演化、行星形成等物质运动规律。而基于超重力环境的实验装置，也是重大工程防灾减灾、深地深海资源开发、地下空间利用、新材料研制、地质过程研究等领域重要的科研利器。

这台启用不久的CHIEF1300模型制备机，容量为1300g·t(重力加速度·吨)，居世界前沿。CHIEF1300模型制备机与它的“兄弟姐妹”——建设中的CHIEF1900重载超重力离心机和CHIEF1500高速超重力离心机，共同构成了装置的主机阵容。未来，在3万多平方米的实验大厅，3台离心机将沿南北轴线排列，各控制室和机载试验装备仓分居左右。当6.4米长的转臂开始旋转，CHIEF1300的吊篮内最高可产生300倍于地球重力的环境，为科学家探索物质运动规律提供极端实验条件。

交叉学科共同发力，让CHIEF建设更“博学”

超高速运转、更长的机械臂、更加极端的运行工况……CHIEF实现的多个“最”，体现了研发背后的不易。

攻坚团队中，包括浙江大学来自建工、控制、软件、能源、环境、材料等多学科背景的科学家与工程师，交叉学科共同发力，让CHIEF的复杂系统更“博学”。

比如，超重力离心机在高速旋转时会产生大量热量，使离心机主机环境迅速升温。为保证离心机和机载装置的安全，团队设计了一套真空温控系统，通过抽真空、通风冷却等不同组合，带走离心机高速旋转产生的热量，确保离心机在高转速下安全平稳运行。

“我们希望通过离心加速度和负载的调控，构建从瞬态到万年时间尺度、从原子级到千米级空间尺度、从常温常压到高温高压等多相介质物质运动的实验环境。”陈云敏说。

建设过程中，技术挑战无处不在。其中，主机室基坑工程长99米、宽27米，最深处达38.3米，创造了浙江省公共建筑基坑的最深纪录。

“从百米级基坑的支护安全，到超长离心机主轴的精密制造，每个环节都要求我们探索、创新。”CHIEF总工程师、浙江大学求是特聘教授凌道盛说，项目组实施全过程监控和实时反馈，对基坑支护结构进行全方位、多角度监控，确保工程安全推进。

动力基础“扛得牢”，离心机“稳得住”，机载装置在实验舱“住得安”，为CHIEF开展更复杂的动态实验打下基础。

“超能力”为科研带来更多可能

沿着实验舱通道深入，6座实验舱内18台机载装置各司其职。“其实日常生活中，我们用的洗衣机就能产生很大的离心力；医学实验里的离心机设备，离心加速度更大。但它们都有一个缺点：能负荷的东西少，抗不平衡能力差。”陈云敏说，“因此我们主要研究的就是如何在更大的离心加速度上提升它所能承担的重量。”

这18台装置中，有6台为国际首创，12台技术指标达国际领先水平。这种在高速运转的离心机上开展动态变化、多因素作用的实验，陈云敏形容为“让孙悟空在离心机里翻筋斗”。

陈云敏指着其中的深海高压温控实验装置说：“这套装置的重要使命，是攻克天然气水合物(可燃冰)安全开采的世界性难题。它能在实验舱内精确复刻千米深海的低温高压环境，让我们直观地研究水合物在开采过程中的相变、分解规律，从而为安全、高效地利用这种未来能源提供关键科学依据。”

实验装置各显神通——“造波造啸”装置着力破解巨浪与海啸对近岸工程的冲击机理；超重力振动台可模拟9度烈度地震下百米级场地的灾变规律；500公里/小时高铁路基动力效应装置可为我国下一代高速铁路路基设计提供验证平台；超重力定向凝固熔铸炉在超重力与1600摄氏度高温的协同作用下，致力于锻造出性能卓越的新一代合金材料……

超重力场“时空压缩”的神奇能力如何实现？陈云敏解释：“如果在超重力离心机上搭载土体污染物迁移实验装置，就可以模拟污染物在地下大尺度、长历时的运移。如果在现实中研究污染物的迁移，需要几千年，但在超重力场中模拟实验，可能只需要一天的时间，真可谓‘山中方一日，世上已千年’。”

这种“时空压缩”效应让科学家能够在实验室里完成以往不可能的实验。眼下，具有“超能力”的科研矩阵正不断扩容。容量更大的两台离心机正在加紧安装建设中。陈云敏说，期待CHIEF为中国乃至全球的科技创新提供强大支撑。