违背重力的凝结现象

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抗重力凝结现象

2025年10月23日 浏览量4031 点赞数46

从黎明的露水到淋浴后起雾的镜子，凝结现象是地球上日常生活的一部分。而在太空微重力环境下，热量在气体和液体中的流动方式发生改变，这对需要在极端环境中冷却的航天器电子设备构成潜在威胁。

如今，一项欧洲实验首次在国际空间站上研究冷却表面的液膜形状。科学家将焦点置于鳍状金属，以便更好观察凝结的基本特性。

“鳍片上的凝结”实验开创性地在轨道上进行热传递测试，研究在薄膜凝结过程中，毛细压力（即液体在微小空间流动的作用力，如纸巾吸水）的作用，且不受重力干扰。

这虽是基础物理研究，旨在完善数学模型，但成果具有实际应用价值，如为智能手机和电脑的电子设备散热，优化地球上的工业涂层工艺。太空任务也能受益于更高效的热交换器，以维持电子设备和生命支持系统处于适宜温度。

鳍片因素

冰箱、空调和散热器利用微小金属鳍片，实现流体与气体间更高效的热传递。鳍片形状对太空实验同样关键。

该实验的欧空局项目科学家布里斯·圣米歇尔表示：“我们在寻找最佳鳍片形状，以实现最大程度的热传递。”

一厘米高的铝合金鳍片，会逐渐被低表面张力的制冷剂浸湿，这种易挥发流体可在少量热量下蒸发或凝结。液体流到鳍片底部形成水洼，由海绵状材料和泵将其抽离。

欧空局近地轨道有效载荷团队的巴拉兹·托特解释道：“微重力环境使我们能使用大型鳍片，且不受重力排水和蒸汽对流干扰，更容易观察液膜是否呈现不同形状。”

保持冷却并持续研究

灰度视频展示了蒸汽在地面（左）和国际空间站（右）的凝结情况。视频加速了五倍，实际拍摄约一分钟。

在地球上，液体在鳍片底部形成水洼，而在微重力环境中，液体在整个鳍片表面累积。

比利时布鲁塞尔自由大学空间技术研究与工程中心的资深研究员安德烈·格鲁什丘克说：“液体似乎将冷表面视为‘安全地带’，这与地球上的热传递情况不同。”

他补充道：“任何基于地面标准设计的热系统，在微重力环境下都无法正常工作。我们需要构思全新概念，创造新设计。”

实验中鳍片两侧的两个尖指状物体，作为校准参考对象，由热稳定镍铁合金制成。每次运行时，凝结液体由鳍片底部的海绵状材料持续抽取、泵送，并在闭环中重新蒸发。

高精度干涉仪记录鳍片周围的温度和蒸汽浓度变化，同时追踪液膜厚度。

理论模型的飞跃

在过去二十年的抛物线飞行任务中，类似的热传递实验曾短暂获得微重力环境。这些飞行积累的知识，帮助科研团队开发出精确测量液膜分布的技术。

安德烈表示：“我们需要国际空间站的持续微重力条件，其他地方无法实现测量所需的稳定性、准确性和高分辨率。”

科学界使用多种理论模型，预测凝结速率如何随液膜厚度分布而变化。布鲁塞尔自由大学空间技术研究与工程中心主任卡洛·萨韦里奥·伊奥里奥补充说：“我们想要一个通用公式，而这是首次有大量数据来巩固这一公式。”

热传递的新太空设施

“鳍片上的凝结”实验，是气体和液体热传递更大规模测试的一部分。

这一切都在新的“热传递主机2”设施内进行，该设施于2025年9月30日安装，此前由诺斯罗普·格鲁曼公司第23次向国际空间站的货运补给任务运送。

这个齐腰高的模块，位于欧洲抽屉架 – 2内，是国际空间站上欧洲哥伦布实验室的最新升级。

该设施运行完美，其设计允许实验插入并自主运行。

在首次凝结研究之后，该系列实验将继续进行“薄膜中的马兰戈尼效应”实验，重点研究蒸发液膜的不稳定性。