此外,在太空中还可以生产一种奇特的金属——泡沫金属。这种特殊的材料轻如木材,可以在水中漂浮,又坚如钢铁,可以有效地抵制压力。这种材料是在金属中均匀地充加了气体而制成的,而在地面上,要想在金属溶液中充气而且是均匀地充气是绝对不可能的。如果向金属溶液中充气,气体一般不会停留,更不会均匀地分布在金属溶液中,绝大部分气体会逸出液体,剩下的一小部分也会在金属中形成大小不同的空洞而使金属更加脆弱。
而在太空中这些就是最容易不过的事了。在微重力环境下,气泡既不上浮也不下沉,而是均匀地分布在液体中。至于如何把气体注入液体,在太空中至少有3~4种办法。
在太空中生产的泡沫金属钢材,按它的体积计算,最多可以充入88%的气体,同理,还可以制造更轻的泡沫铝材、泡沫钛材等。
泡沫金属除了质量轻和抗压力强以及一切多孔物质所具有的一般机械性能外,随着其气泡在固体物质内部分散程度的不同,还分别具有特殊的电、磁、过滤等特性,实在是不可多得的现代优质材料。
太空生物试验
我国利用返回式卫星成功研制出太空水稻
太空特有的微重力、高辐射、高真空以及高低温差条件,可以对植物的生长产生一定的影响。
美国曾在“挑战者”号航天飞机上
搭载西红柿的种子
1984年4月,由美国“挑战者”号航天飞机施放到太空轨道上的“暴晒舱”,重11吨,装有120个品种的200亿颗植物种子,其中包括1200万颗西红柿种子。他们把这些种子放置在太空中,长期暴露在宇宙辐射、真空和低温状况下,再把种子带回地球播种,以研究长期宇宙环境对突变率和植物生长的影响。
我国利用返回式卫星搭载农作物种子,培育了优质高产的粮食作物和蔬菜品种。例如著名的太空水稻,其生长期比同类地球水稻缩短了10天,亩产达到750千克之高,蛋白质含量也比普通水稻提高了8%~20%。在太空中“住”过的青椒种子,在地面上生产的青椒耐寒能力大大地增强了,其病情指数比一般青椒减轻了55%,维生素含量却比一般青椒提高了20%,而且亩产量达到了5000千克,最大的青椒长到了每个400克。当然,像这样的例子还有许多。
太空制药
在太空特殊的环境下,可以高效率地生产许多地面上难以生产或难以大规模生产的昂贵药物,所以说太空是一个大的药品加工厂一点儿也不过分。
空间制药是空间材料加工最容易获得经济效益的产业之一,而且是对人类最有现实意义的产业之一。
地球上生产药物,虽然做了各种预防措施,但还是很难避免受到微生物、有害气体以及尘埃的污染。然而太空却是一个无菌、高真空、高洁净的世界,在这里制造药品可以免受污染,使药效得到更好的发挥。当然太空制药的最重要意义还不在于此,而是在于药品的高度提纯。
现在制造高纯度的特效药品一般都采用电泳法。所谓电泳法就是让含有生物物质的溶液,在两片带电的极板之间的槽中流过,由于不同的生物物质在溶液中所带的电荷不同,因此,它们沿着不同的路线流动。这样,就把细胞、血球、酶或干扰素等不同的生物物质分离开来。
在地面上使用电泳法提纯生物物质,由于重力的作用,液体内各部分的温度是不均匀的,一部分较热,另一部分则相对较冷,热的液体上浮,冷的液体下沉,形成了对流。对流是破坏电泳法高效提纯药物的大敌,因此,地面上很难使用电泳法得到理想纯度的药物。在地面上虽然也可利用超高真空来制取少量的高纯度药物,但产量很低,为了取得1克的生物物质,往往需要用几十千克的原始材料,所以价格昂贵,不是一般患者可以接受的。而且,就是这样高价生产出来的提纯药品,其质量也不是很稳定,难以保证药效。
然而在太空得天独厚的环境下,人们几乎可以用电泳法任意提纯药物而不受干扰,顺利分离生物中的各种有效物质。与地球相比,在太空提纯同一种药物,其纯度可以提高5倍,提纯速度可以提高400~800倍。
空间制药可以大大地提高药物的纯度和产量,以上数据意味着太空中一个月的产量相当于地球上30~60年的产量,这是一个多么惊人的数字呀!
太空药品纯度和产量的提高,还大幅度地降低了提纯药品的成本,特效药将成为一般患者也可以随时使用的药品。
激素是人体协调各个器官组织功能的重要分泌物,通常对于缺乏激素的疾病,都采取注射的办法,利用动物或人腺体的提取物加以治疗。
由于一般激素只能通过注射的方法进入人体,因此,对激素药物纯度的要求极高。而随着人们生活水平的提高,各种激素缺乏类疾病发病率也越来越高,激素类药品的要求量越来越大。所以光凭地面制药厂越来越难以满足人类的需求。
糖尿病是困扰人类的难以根治的激素缺乏类疾病之一,据报道,世界上有6000多万糖尿病患者,其中多数需要每天注射胰岛素来维持生命。按平均用量计算,如果每人每天需要2毫克胰岛素注射液,那么全世界一天就需要12000多万毫克胰岛素注射液,这还是最保守的计算。即使这样,地面药品加工厂也根本无法满足这些患者的巨大需求。在太空中利用连续电泳法,可以有效地将胰B细胞与其他细胞分离开来。临床试验充分表明,如果将这些细胞移植到人体内,就能持续地产生胰岛素,使糖尿病患者从根本上得到治疗。这样不仅可以解决地面胰岛素产量不够的问题,而且有可能从根本上治疗糖尿病这一困扰人类的疾病。
太空制药可以制造许多我们目前在地面上无法制造的特效药,而且产量大,质量好,是太空科技发展最有潜力的一项产业,一旦大规模正式投入生产,可以给人类带来意想不到的益处,也许可以使人类永远摆脱某些病魔的困扰,真是仙药天上来!
太空矿产资源
大家都清楚,在有限的地球空间里,人口的密度在不断地加大,而过度开采造成的资源匮乏和能源短缺一直在威胁着人类的生存,有远见的人们开始为子孙后代担忧,人类一直在寻求出路。
现在,载人航天为我们展现了一个美好的前景:通过不同手段的探测,人类了解到地球以外其他星球上有着丰富的矿物资源,而载人航天的发展使得这些资源归为我用成为可能,也就是意味着人类的资源危机将在不远的将来得到缓解。
太空中除了地球还有无数的星球,这些星球上都有它们特有的资源可以供人类利用。远的不说,下面就具体说一下地球的姊妹星球——月球。月球是地球唯一的卫星,是地球的近邻与伙伴。人类要想解决所面临的资源枯竭的问题,就必须首先认真考虑如何利用月球资源。
被人类看好的未来矿产源头——月球自从1969年7月21日,“阿波罗11”号载人航天飞船上的宇航员阿姆斯特朗走下登月舱的扶梯,在月球的土壤上印下人类的第一个脚印开始,人类就开始了对月球的真正探索与研究。
月球具有丰富的物质资源,月岩中含有地壳中含有的全部元素和60多种矿物,另外,月岩中还有6种地球上所没有的矿物。
在月球的土壤中,氧占40%、硅占20%、铝占6%~8%、镁占3%~7%、铁占5%~113%、钙占8%~103%、钛占5%~6%,这些都是月球上含量比较高的元素,也正是人类比较缺乏的元素,如果可以大规模开发,将大大地解决人类的资源匮乏问题。
另外,月球上还有钠、钾、锰等元素,虽然含量没有上述几种元素高,但就整个月球的含量来看,也是很可观的。月球上还有锆、钡、钪、铌等稀有珍贵金属元素,这些更是不可多得的财富。
科学家们把从月球上带回来的土壤样品加热到2000℃后,发现有惰性气体从土壤中逸出,其中有氦、氩、氖、氙等放射性粒子。月球中还富含地球上所没有的能源氦-3,这是核聚变反应堆的理想燃料。
月球上最奇特的就是“纯铁”了。从月球带回的岩石标本上有一层很薄的无锈铁薄膜,开始科学家们认为,如果让这些铁处于地球氧条件下,它一定会马上被氧化腐蚀。但是,试验结果证明,这种铁即使在地球高氧空气条件下也不会被氧化,是所谓的“纯铁”。
“纯铁”对人类生活的现实意义非常重大,因为,每年全球由于金属的氧化腐蚀所造成的损失已成为了一个天文数字。如果可以在月球上生产“纯铁”,在地球上大量使用,不仅可以弥补地球生产上的一个空白,还可以避免金属氧化造成的巨大损失,可以获得很大的经济效益。这可以说是载人航天对人类做出的又一个巨大贡献。
月球上矿藏丰富,开采月球天然矿藏是人类解决资源危机的有效方法,具有广阔的前景。而在月球资源的大规模开发中,载人航天的发展是最重要的一步。
太阳能资源
太空中有着丰富的太阳能资源太阳能对于人类来说并不稀奇,由于地球资源的日益匮乏和日益严重的环境污染问题,人类早已将眼光投向了这个取之不竭又清洁无污染的新型能源。
然而,在地球上收集太阳能要受到这样那样的限制和阻碍。例如,地球大气层对太阳光的吸收和反射、散射等就阻挡了大部分的太阳光到达地球,而且,在地面上收集太阳能还要受阴雨天气以及昼夜变换的限制,非常不方便,且效率很低。
从太空直接利用阳光来发电就没有这么多的麻烦了。在太空直接发电,由于不受昼夜限制,而且避开了大气层和云雾对太阳光的吸收、反射、阻隔,效率可以是地面太阳能发电的5~10倍。太空中的阳光不仅可以用来发电,还可以直接反射回地球为人类造福。1993年2月4日,俄罗斯用已经完成任务的“进步M15”号货运飞船进行了“人造小月亮”的试验。“进步M15”号张开一张直径20米的伞状阳光反射器,用以向地面反射阳光,在地面上看到其亮度比一轮满月还亮。
“进步M15”号的试验证明,利用太空飞行器向地球反射太阳光是完全可能的。在地球同步轨道上用多个反射镜向地面上一个地区反射阳光,可以在夜晚为城市或野外作业工地提供照明。还可以增大反射镜的面积,增加光照强度,形成所谓的“人造小太阳”,延长高寒地区的日照时间和无霜期,提高农作物的产量。
对太阳能的开发和利用是挖掘太空能源的又一个重要方面。
重力
由于地球的吸引而使物体受到的力,叫做重力,生活中常把物体所受重力的大小简称为物重。重力的单位是N,但是表示符号为G。公式为:G=mg。m是物体的质量,g一般取98N/kg。在一般使用上,常把重力近似看作等于万有引力。但实际上重力是万有引力的一个分力。重力之所以是一个分力,是因为我们在地球上与地球一起运动,这个运动可以近似看成匀速圆周运动。我们做匀速圆周运动需要向心力,在地球上,这个力由万有引力的一个指向地轴的分力提供,而万有引力的另一个分力就是我们平时所说的重力了。
太空生物实验的收获
自1957年10月4日前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星以来,人类活动范围从陆地、海洋、大气层扩展到宇宙空间,从此,宇宙空间成为人类的第四疆域。而人类发展空间技术的最终目的则是开发太空资源。而要开发太空资源,首先要在太空进行生命科学和宇宙医学研究,以深入了解太空环境对地球上各种生物的影响。
我们知道,太空环境最显著的特点是失重。多年来,科学家将多种生物随着航天器带入太空,进行失重生物学的实验研究,并取得了不少成果。
研究表明,太空失重环境对生物生长的影响很多,而主要则分以下6个方面。
(1)影响生物正常生长的机理
20世纪60年代,在前苏联“宇宙110”卫星上,前苏联科学家装载了两只小狗,在太空中飞行了22个昼夜后,发现它们的水盐代谢,特别是钙的代谢功能被破坏,肌肉萎缩,血液成分改变,心血管系统功能也受到影响。但是,这些影响并没有危及小狗的生命,当它们回到地面后又进入了正常的发育状态。研究发现,植物在太空中受失重的影响,改变了根向地和茎背地的习性;同时,由于航天器每天绕地球14~16圈,昼夜交替很快,破坏了原有的正常生长的机理。但是,当这些植物返回地面后,却又恢复了原有的生长习性。这些太空生物实验说明失重环境对生物的影响有可逆性。