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浙大牵头建世界最大超重力实验装置:一天模拟千年

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最近,浙江大学牵头建设的国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置(CHIEF)项目可行性研究报告获得了国家发展和改革委员会批复。这也是浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。

该项目选址杭州余杭区未来科技城,建设时间为5年,占地约89亩,总投入将超过20亿人民币。

什么是超重力离心模拟与实验装置?它有什么作用?

为了揭开这高大上设备的庐山真面目,钱报记者来到浙大紫金港校区,专访了负责该项目的陈云敏院士团队,并独家参观了实验装置。陈院士是浙大建筑工程学院的教授,也是该项目的首席科学家。

原来,这套高科技设备具有“压缩时空”的神奇功能,它能让研究人员“跨越时间”,用一天模拟一千年,还能在实验室里“跑高铁”!

什么是超重力

它能压缩时空,一眼万年

“浙大的这个CHIEF,是‘国家重大科技基础设施’,那是指大型复杂的科学研究装置或系统,是能推动国家科学和技术发展的‘国之重器’。和CHIEF同样级别的装置,还有北京正负电子对撞机、上海光源、天眼FAST射电望远镜等等。”陈云敏院士介绍。

CHIEF项目是“十三五”时期优先建设的10项国家重大科技基础设施项目之一,也是在浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。

离心机ZJU400,迷你版CHIEF

朱斌教授是该项目的副总工程师,他向记者介绍了和超重力相关的知识。

地球表面的任何物体都会受到地球重力的作用,人能够站立在地面上,物体会下落,都是重力的原因。

科学家们把地球上的重力叫做常重力,用1g(重力单位)来表示,大于1个g的就叫超重力。比如航天员乘坐飞船返回地球时,会受到4个g的超重力,相当于承受了4个自己的重量。

在超重力环境下,会发生一些神奇效应。因为这些神奇效应,科学家们可以完成很多在常重力环境中难以完成的实验。

首先,超重具有“缩尺”作用。朱斌打了一个比方,“举个例子,想知道100层楼高的房子对地基的影响,那么我们只需要造1层楼高的模型,将它放在100个g的超重力作用下,这时,1层楼对地基的影响效果,就相当于常重力下100层楼对地基影响的效果。这就是缩尺作用。”

超重力场中还存在“缩时”效应,科学家们可以利用这点极大地缩短实验时间。

陈云敏院士

陈云敏院士给记者举了一个例子。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,需要花费几千年,但在超重力场中模拟实验,可能只需要一天的时间,可谓“山中方一日,世上已千年”。

超重力有什么用

可以在实验室里“跑高铁”

超重力的“缩时”和“缩尺”等效应,可以让研究者做很多现实中无法操作的实验。而想要产生一个超重力场,就需要超重力离心机。

CHIEF就是这样一个超重力装置。在CHIEF预研阶段,浙大团队就利用超重力,做出了不少成果,比如“高速铁路列车运行动力效应试验系统”。

这个系统的设计是为了控制高铁在我国东南沿海深厚软土地区运行时的沉降。

怎么做实验呢?在现实中,不可能真的在东南沿海修一条轨道、造一辆高铁去研究,这需要花费巨大的金钱和时间成本。但是利用超重力环境中的缩尺、缩时等效应,便可以用一个小的模型来模拟现实中高铁的运行,来研究和验证各种方案。

CHIEF预研实验就提供了这样的条件。这个“在实验室里跑高铁”的项目后来入选了2017年度“中国高等学校十大科技进展”。陈云敏院士说,“CHIEF研发出来可极大拓展我们的试验研究能力,做原来没法做的试验。”

该项目选址杭州余杭区未来科技城,建设时间为5年,占地约89亩,总投入将超过20亿人民币。建成后,它将填补我国超大容量超重力装置的空白,成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台。

目前,世界上离心机最大容量为1200g·t(重力加速度×吨),而CHIEF容量将会达到1900g·t。它是一个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运动的实验环境的“大家伙”。

记者现场探访

超重力离心机长啥样

那么,CHIEF到底长什么样子?它是怎样产生超重力场的呢?

此前,浙大已经建成一个“迷你版”装置ZJU400,它在浙大建工实验大厅的地下室。陈云敏院士带钱报记者近距离触摸了这个装置。

这个圆形地下室占地约50平方米,里面有且仅有一个天平状的机器,并占据了整个房间。陈云敏院士指着机器向记者介绍,这就是ZJU400,它的“手臂”有4.5米长,两个转轴上各搭载了一个边长1米的正方体实验舱,实验舱的最大负荷有3吨。在它转动到一定速度后,实验舱在离心力的作用下,舱内的超重力场就生成了。这是一台离心加速度可达到150倍重力加速度的离心机。

未来的CHIEF的转臂半径可达9m,实验舱是3m,最大负荷可达32吨,是它的10倍。ZJU400可以说是一个微型CHIEF。

为什么要把机器放在地下室?这主要是出于安全考虑,“因为离心机上面搭载的吊篮会高速旋转。”

“不过,在高速旋转的环境中,人是不能在实验舱内操作实验的。”陈云敏院士解释,实验舱内有机械手臂,它们所有的动作都是在中央控制台的控制下进行的。在这个地下室里面安装了很多传感器,能把检测到的信号和数据传输到控制室。

既然已经有迷你版,为什么还要建设CHIEF这个如此庞大的超重力离心机呢?

“日常生活中,我们用的洗衣机也有很大的离心力,在医学实验里使用的离心机设备的离心力更大,但是它们都有一个缺点:所能负荷的东西少,抗不平衡能力差。”陈云敏院士说,“所以我们研究的核心就是在高速的离心加速度上增加它所能承担的重量。”

早在去年一月份,CHIEF项目建议书就获得了国家发展和改革委员会的批复。在这一年多里,浙大的科学家团队做的是“找茬”的预研工作,在正式开工之前,把可能碰到的技术难题都提出来。

“如果把超重力离心机主机比作一个挑着扁担在转圈的人,那么如何让他不‘晕头转向’,就是在预研阶段要解决的难题。”陈云敏院士说。

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