完成科学理解重力降低如何影响沸腾和冷凝的实验

印第安纳州西拉斐特——月球温度范围从零下410华氏度到灼热的250华氏度，说人类需要有暖气和空调的栖息地才能在那里长期生存，这是轻描淡写的说法。

但是，如果不了解重力降低对沸腾和冷凝的影响，加热和冷却系统就不足以支持月球探索或更长时间火星旅行的栖息地。直到现在，工程师们还无法破解这门科学。

他说：“我们地球上的每一台冰箱、每一个空调系统都涉及到沸腾和冷凝。这些机制在许多其他应用中也很普遍，包括蒸汽发电厂、核反应堆以及化学和制药工业。” 伊萨姆·穆达瓦尔 ,普渡大学Betty Ruth和Milton B.Hollander的家庭教授机械工程“我们对这些系统如何在地球引力下工作已经有了一百多年的理解，但我们还不知道它们如何在失重状态下工作。”

由Mudawar领导的普渡大学工程师团队与美国宇航局克利夫兰格伦研究中心合作，花了11年时间开发了一个设施来研究这些现象。

该设施称为流动沸腾和冷凝实验（FBCE）.初步设计已测试在Zero Gravity公司的（Zero-G）失重研究实验室，这是一架经过特殊改装的波音727飞机，它可以进行抛物线飞行，以减少月球和火星上的重力以及太空中的失重条件。

在飞行测试后，NASA格伦和该机构的生物和物理科学部门协助穆达瓦的团队创建了一个较小的实验版本，以适应流体集成机架在国际空间站。在通过NASA安全和准备就绪审查后，FBCE发射到空间站2021年8月，它帮助研究人员开始揭开沸腾和冷凝在太空极端环境中是如何工作的谜团。

这些答案是研究小组从空间站进行的两组FBCE实验中收集的数据。去年7月，该设施的第一次实验完成了所有数据的收集，Mudawar说，科学家需要了解重力降低如何影响沸腾。在接下来的几个月里，作为诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop-Grumman）美国国家航空航天局（NG-19）商业再补给服务任务的一部分，用于第二次实验的设备将发射到轨道实验室，以收集关于在减重环境中如何发生冷凝的数据。

构成该设施的两个实验都将在2025年前保持在轨，使整个流体物理界能够利用这些数据。

穆达瓦尔说：“我们已经准备好在降低重力下流动和沸腾的整个科学方面完成这本书。”。“月球上的宇航员将需要空调系统、制冷系统和许多其他系统，这些系统都需要沸腾和冷凝。由于我们从数据中获得了新的认识，这些数据显示了重力降低对这些现象的影响，我们能够为如何确定设备的尺寸、如何设计设备提供指导。”n它的有效性以及如何预测其性能。”

研究人员正在准备一系列的研究论文，其中包括FBCE在国际空间站收集的数据60多篇论文项目开始时，他们在Zero-G航班上测试了他们的设施，并发表了关于失重和流体流动的文章。

回答十年前的问题

穆达瓦尔说：“在这个项目期间，我们发表的论文几乎就像是一本关于如何在太空中使用沸腾和冷凝的教科书。”。“自太空飞行开始以来的60多年来，该领域已经知道沸腾和冷凝是太空的理想选择，但此前在微重力条件下研究这些概念的尝试并未成功。”

每十年，美国国家科学院（National Academies）都会发布一份报告，指导美国国家航空航天局（NASA）、白宫（White House）和国会（Congress）在未来十年内优先资助的研究领域。在2011年报告中，许多科学家建议将重力在控制蒸汽-流体行为中的作用视为太空探索的优先事项之一。FBCE项目是根据十年报告创建的。

任务距离地球越远，执行这些任务的航天器越有可能将需要核能与在空间实现加热和冷却的其他类型的过程相比，沸腾和冷凝在为这些核动力车辆和栖息地传递热量方面更加有效。沸腾和冷凝也将使供暖、通风和空调系统更加紧凑和轻便。

宇航员马克·范德黑（Mark Vande Hei）在国际空间站组装流动沸腾和冷凝实验的组件。（图片由NASA提供）下载图像
自20世纪70年代以来，穆达瓦一直致力于利用沸腾和冷凝来应对各种系统的能量传输和温度控制挑战。例如，高温涡轮系统、超级计算机、数据中心、航空电子、混合动力汽车电力电子、氢燃料电池、金属合金热处理、粒子加速器和聚变反应堆。

同类最大的实验

据穆达瓦称，FBCE是第一组实验，提供了足够广泛和系统的数据，以开发工程师设计各种空间系统所需的模型，这些模型使用重力降低的沸腾和冷凝。

穆达瓦尔说：“我们现在有了一个基础，可以比较和对比地球重力和减缩重力的数据，以寻求适用于广泛引力的建模工具。”。

穆达瓦和他的学生在过去的11年里一直在基于FBCE数据开发三套预测工具。一组工具将数据转换为方程式的形式，工程师可以使用这些方程式来设计空间系统。另一组从数据中识别有关流体物理的基本信息，第三组是流体动力学的计算模型。

总之，这些模型将有可能预测哪些设备设计可以在月球和火星重力下运行。

FBCE是美国宇航局最大、最复杂的流体物理研究实验去年2月至7月，该设施成功进行了234次测试，产生了近3800个数据点和同等数量的高速视频记录。

来自NASA格伦不同团队的35多名工程师和技术人员参与了该项目，帮助将穆达瓦及其学生的设计理念转化为可安装到空间站的设施。这些团队包括Glenn的FBCE工程、安全和任务保证、科学、软件和技术团队，以及流体和燃烧设施操作团队。

15名过去和现在的普渡大学博士生在与NASA合作的各个方面为穆达瓦提供了帮助。两名普渡大学博士候选人V.S.Devahdhanush和Steven Darges通过在普渡大学设立的专用工作站协助监测空间站上的实验。普渡大学团队还为后续测试提供了改进操作条件的建议，以不断提高每次测试的科学产出。

FBCE的数据将不仅有利于空间系统，也有利于地球上的技术。利用他们从这些数据中获得的教训，穆达瓦和他的团队发明了一种新型电动汽车充电电缆设计这将允许他们在五分钟内充电。当今最先进的充电电缆为电动汽车充电需要20多分钟。这项快速充电电缆发明的专利申请已通过普渡研究基金会技术商业化办公室 .

穆达瓦尔说：“FBCE的数据量绝对巨大，这正是我们想要的。”。

关于普渡大学

普渡大学是一所顶尖的公共研究机构，为当今最严峻的挑战开发实用的解决方案。普渡大学在过去五年中每年都被《美国新闻与世界报道》评为美国十大最具创新性大学之一，它提供了改变世界的研究和世界外的发现。普渡大学致力于实践和在线学习，为所有人提供变革性的教育。普渡大学致力于负担能力和可获得性，已将学费和大部分费用冻结在2012-13年的水平，使更多的学生能够毕业时无需偿还债务。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。