• 【晒晒咱的国之重器35】问天实验舱:探索太空奥妙的“全能型”实验室

      【晒晒咱的国之重器35】 

      光明日报记者 张亚雄

      2022年7月24日,中国人的太空家园首次在有航天员在轨驻留的状态下迎来航天器的到访。

      那天,中国空间站问天实验舱“搭乘”长征五号B遥三运载火箭一飞冲天,准确进入预定轨道。随后成功对接于天和核心舱组合体前向端口。

      这可是一个发射重量达到23吨的“大家伙”。“这块头和分量,相当于北京地铁13号线列车的一节车厢。”航天科技集团五院问天实验舱总体系统主任设计师张峤为它精准画像。

      的确,它是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。包括工作舱、气闸舱和资源舱三大舱段,总长17.9米,直径4.2米。

      可别看它块头大,这个“大家伙”可是一位集平台功能与试验载荷功能于一身的灵动的“全能型”选手。

      论平台功能,问天实验舱与天和核心舱互为备份,关键平台功能一致,可以完全覆盖空间站组合体工作要求。张峤说:“这就好比天和核心舱‘想休息’了,问天实验舱能立刻顶上,‘带你一起飞’!”

      论试验载荷功能,问天实验舱装载了多个实验机柜与舱外载荷适配器,把一个个大型科学实验室搬到了太空。由于空间站能够提供长期的微重力、辐射等特殊研究环境,科学家或将发现在地球上被重力掩盖的物质本质规律。而且有“快递小哥”天舟货运飞船在天地间往返运输,以后,中国人能在太空开展大规模空间科学实验了!

      但太空中的科学实验室可真不一般。作为中国空间站第二舱段的首个科学实验舱,问天实验舱内有多个宽约1米、高1.8米、深0.8米的科学实验柜,包括生命生态实验柜、生物技术实验柜、变重力科学实验柜,还有科学手套箱、低温存储柜等。

      每一个科学实验柜就是一个综合实验室。“就相当于把地面上数十平方米实验室的实验设备高度集成到一个2立方米的实验柜空间里。”载人航天工程空间应用系统副总设计师、中国科学院空间应用中心集成技术中心主任王珂说。

      “未来,问天实验舱将以生命科学和生物技术研究为主,在空间生命科学与生物技术、微重力物理科学、空间材料科学、空间新技术与应用试验等领域开展研究,探索未知。”载人航天工程空间应用系统副总设计师、中国科学院空间应用中心研究员吕从民告诉记者。

      问天实验舱里还有一个“更衣间”,在外方内圆、空间大且性能优越的气闸舱。有了它,航天员在作出舱准备和舱外返回时将更加从容、舒展。未来,这里将成为整个空间站系统的主要出舱通道。

      与天和核心舱相似,问天实验舱外也搭载了一个机械臂。这个机械臂小巧且精度高,方便进行精细操作,它还可以与核心舱大机械臂形成组合臂,开展更多舱外操作。

      “届时,组合臂能够在空间站的天和、问天、梦天三舱组合体之间爬行,‘机甲战士’控制的舱外范围更大了。”张峤透露,未来10年,在空间站搭载的科学实验载荷将通过机械臂精准投送到对应的标准载荷接口位置,这样,就实现了“即插即用,不再需要航天员出舱进行人工操作”。

      “全能型”的问天实验舱还有一个新使命——“太空新教室”,新的太空授课将在这里进行。

      按照任务时间表,中国空间站的另一个20吨级的航天器——梦天实验舱将在今年10月择机发射。到那时,天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三舱将形成“T”字基本构型,中国空间站在轨建造将最终完成。

      更加令人期待的是,今年年底神舟十四号、十五号航天员乘组的首次“太空会师”。那一刻,属于中国人的温馨舒适、安全高效、前沿尖端的太空家园将带给我们更多振奋与感动。

      《光明日报》( 2022年09月01日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器33】太阳电池阵:“天宫”的“能量加油站”

      【晒晒咱的国之重器33】

      光明日报记者 崔兴毅

      现如今,我们的生活根本离不开电,出差时没有移动电源,手机都不敢撒开了用。电能丰富的地面尚且如此,身在太空的“出差三人组”,是如何实现充电自由的呢?要知道,那些飞行器的运转,可都需要电能供给。

      答案藏在飞行器两边的巨型翅膀里。

      仔细观察你会发现,飞行器翅膀上装有许许多多深色玻璃的小镜子,每一个小镜子宛如一座小型太空发电站,经串联、并联后组成太阳电池阵,从而获得较高的电压和较大的电流,为航天器源源不断提供能量。

      可别小看这些玻璃片,它们的威力可大啦!它们在天上连续工作一天的发电量可抵得上一个家庭约一年的用电量!

      “如此大量的用电需求,需要依靠各个飞行器的太阳电池阵齐发力。”中国电科太阳电池阵专家苏彬介绍,根据每个飞行器的特质按需定制,我国打造了三代各具特色的太阳电池阵。

      “比如,神舟系列载人飞船采用了第一代刚性太阳电池阵技术;天舟系列货运飞船应用了第二代半刚性模块化太阳电池阵技术;空间站核心舱则是我国首次应用第三代柔性太阳电池阵技术。”

      这三代电池阵产品各有特色,有的是性能较稳定,有的是发电能力较强,有的则是体积小。不同特性的电池阵组合在一起后,形成一个太阳电池阵,宛如一座巨大的“能量加油站”,可以完全满足空间站多系统的同时用电需求。

      目前最新一代的太阳电池阵是柔性阵,也是最新的明星产品。2021年发射的天和核心舱就采用了这种太阳电池阵,这也是该技术在我国航天工程领域的首次应用。

      今年,随着正在开启的6次重大发射任务,我国空间站即将完成全面建造。这对整舱的体积、重量,特别是功率提出了更高要求。可“寸土寸金”的核心舱,如何实现“小马拉大车”?

      最新的柔性太阳电池阵便采用了单板厚度不足1mm的单体,整体面积重量较传统太阳电池阵减少了一半以上。即便已是“纤肢曼体”,科研人员还在绞尽脑汁压缩。苏彬介绍:“我们把每块太阳电池板设计成古代奏章那样,在空间站发射阶段,可以相互折叠收拢压紧于收藏箱内,但光电转换效率却提高了近20%。”

      面积体积压缩了,发电量会不会降低?

      “当然不会!”苏彬表示,为确保空间站在轨寿命,中国电科研制团队持续开展高压柔性太阳电池阵发电试验,在完成8万余次高低温循环试验后,最终实现太阳电池光电转换效率突破30%,达到世界先进水平。

      “相比之前载人航天任务最长2年的设计寿命,现在空间站在轨的运行时间可延长至15年。”苏彬介绍,在天和、问天、梦天三舱组合后,柔性太阳电池阵总发电面积接近400平方米,总共可提供超过100千瓦的电能。

      不过,想要电能源源不断,还得防御复杂太空环境的危险——

      每天在轨飞行的太阳电池阵都要经受十几次的高低温循环温度考验,遭受腐蚀性极强的原子氧侵蚀,接受到会使材料变脆变暗的强紫外线照射等。

      怎么办?“我们在太阳电池片上设计了石英盖片,用于减少对太阳光的反射,滤去有害的紫外线,同时提高太阳电池耐受空间带电粒子辐射损伤的能力,减少太阳电池性能的衰降。”苏彬介绍,他们还给柔性基板添加了超薄硅橡胶“铠甲”,顺利通过了大剂量的原子氧、高低温、紫外线等环境考核试验。

      现在,我们的巨能太空发电站,在平均光电转换效率、发电能力等方面都达到了国际领先水平,即使面对超低轨中复杂的供电环境,也能让属于中国的太空之家能量充沛、稳如泰山!

      《光明日报》( 2022年07月26日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器32】高能同步辐射光源:照亮微观世界的结构奥秘

      晒晒咱的国之重器32

      光明日报记者 张亚雄

      这里是北京雁栖湖畔的怀柔科学城。

      群山环绕中,一个圆环状的大科学装置静静矗立其间。它是被公众亲切地称为“放大镜”的高能同步辐射光源(High Energy Photon Source,简称HEPS)。

      提起光源,你的脑海中会浮现出灯泡的画面吧,于是把HEPS想象成一个“大型灯泡”。

      其实不然。这里的“高能”可不是“前方高能”里的那个“高能”,而是指物理学中探索微观世界物质探针所具有的高能量。

      据HEPS工程总指挥潘卫民研究员介绍,从高空俯瞰,HEPS整体建筑形似一个放大镜,设计寓意为“探索微观世界的利器”。“通俗地讲,你可以把HEPS视为一个具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光机。”潘卫民说。

      作为国家“十三五”重大科技基础设施,HEPS由加速器、光束线站及配套设施等组成,总建筑面积约12.5万平方米。周长约1.5千米的主体环形建筑,如同放大镜的镜框,里面安装有储存环加速器、光学元件、衍射仪等科学仪器。其中的储存环里,分布着2400多块磁铁及各类高精尖设备。

      “同步辐射是指接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射,也叫作同步光。为了研究材料内部结构与变化的过程,科研人员需要借助强力的科研装置进行探测解析。”中科院高能物理研究所副所长、HEPS工程常务副总指挥董宇辉研究员说,作为研究物质内部结构的平台,HEPS能对物质内部进行多维度扫描,“HEPS运行的首要目标,就是提供高能、高亮度的硬X射线。”

      产生X射线的常见方式有两种:一是用加速后的电子轰击金属靶,产生X射线;二是在同步辐射装置中,当电子以接近光速的速度“飞行”时,会在磁场作用下发生曲线运动,沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射。

      “这就像下雨时,我们快速转动雨伞,沿着雨伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。”董宇辉说,与常规X射线相比,同步辐射光源产生的同步辐射光频谱更宽、亮度更高、相干性和准直性更好。

      同步辐射光源根据加速器中电子的能量,可以分为低、中、高三种,各有侧重。董宇辉介绍,HEPS侧重于对微观结构及演变的多维度、实时、原位表征,可用于航空发动机单晶叶片等工程材料结构的多维度表征和1微米量级蛋白质分子结构演变表征等。“作为探测物质结构的探针,X射线的光源亮度是最为关键的指标——更高的亮度能将物质内部的微观结构‘看’得更清楚。因此,获得更高亮度的X射线源一直是科学家孜孜以求的目标。”

      多年来,我国持续发展同步辐射光源,有力支撑了国内基础科学的发展。但我国目前所拥有的同步辐射装置均处于中、低能区,能区地域分布、光谱亮度等还满足不了经济发展和国家战略需求。建设更高亮度的第四代高能同步辐射光源,成为潘卫民、董宇辉等我国当代“追光人”的一大愿望。

      2008年,HEPS科研团队就开始对我国建设HEPS的必要性和可行性进行论证。此后经过近十年攻关,科研人员成功完成关键技术攻关和样机研制任务,具备了建设先进高能同步辐射光源的能力。

      2019年6月,HEPS开工启动,建设周期6.5年,预计将于2025年12月底竣工。建成后,它将在材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天等众多领域大显身手。

      2021年6月28日,HEPS首套科研设备——电子枪(直线加速器端头,即加速电子产生的源头)安装完成,标志着HEPS工程正式进入设备安装阶段。

      目前,HEPS各建筑单体已陆续交付设备安装。可以预见,3年后,全球“最亮”的光源将照亮微观世界物质的结构奥秘。

      《光明日报》( 2022年07月13日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器31】给秧苗“吃小灶”:植物工厂水稻育种加速器

      晒晒咱的国之重器31

      光明日报记者 杨舒

      没有阳光、雨水和土壤,能种出粮食来吗?

      农业科学家说:“能,而且长得更快!”

      2021年10月,在国家“十三五”科技创新成就展上,一幢泛着红紫色柔光的玻璃小屋格外亮眼。

      这可是一座植物工厂。四层栽培架上,一排排水稻青苗齐整整扎在特殊的营养液里,在颗颗彩色LED节能灯的“抚触”下,正奋力拔节。

      在这里,稻子从插秧到收获只需60天左右,比在常规大田的生长周期整整短了一半!

      这好比“坐火箭”的速度从何而来?

      原来,植物生长依赖光合作用,在不同的生长阶段,所需的光、温、水、气、肥等参数各有不同。在这座植物工厂里,科学家摸透了水稻的脾气,只消精准模拟自然环境,把各项参数调节到最理想的状态,给秧苗吃上“私人定制”的“小灶”,光合作用就自然加速了。提早开花,加速结果,稻子“早熟”也就梦想成真了。

      科学家说,这里面最难啃的“硬骨头”是为水稻量身定制最适合的光环境。中国农业科学院都市农业研究所植物工厂创新团队首席科学家杨其长介绍,阳光中包含着赤橙黄绿青蓝紫7种可见光和紫外线等光谱,其中的红、蓝光对植物光合作用促进最大,其他光谱也对植物的开花、结实和色素形成具有独特功能。

      但日常照明光和植物生长用光的差别可不小。“我们的很多试验都失败了,要么把植物‘晒’死了,要么就是长势不行”,不断摸索下,杨其长团队首次在国际上提出了植物“光配方”思想,突破多项核心技术,终于让发光二极管——LED以不同的光谱配方模拟阳光成为可能。

      营养液代替泥土,无须担心虫害,不用喷洒农药……多种“黑科技”加持下,两个月就成熟的水稻一年能收获6茬。品质怎样呢?“实验已证明,这样种出来的水稻不仅周期短了,亩产有保证,品质也不错。”杨其长说。

      不过,给水稻“吃小灶”、缩短它们生长周期的意义可不仅在于增加产量,在育种专家眼中,这座植物工厂正是绝佳的水稻育种加速器。

      “高效的育种产业是保障国家粮食安全的关键。”中国科学院院士钱前说,传统的水稻育种周期长,一年顶多能繁育2至3代,育成一个新品种往往要几年甚至几十年时间。但依靠植物工厂,这一时空瓶颈就能被打破,从而实现“快速育种”。

      不仅如此,植物工厂育种加速器可以不受土地、空间和气候条件的约束,若就近建在实验楼或育种单位附近,一年四季均可进行加代育种,将大大节省育种工作者的时间。

      杨其长说,未来,这座植物工厂水稻育种加速器有望实现每年6茬以上的“快速育种”,栽培层数甚至可以达到10层以上,“依靠植物工厂,这也为水稻和其他作物的加代育种和高效栽培提供了新的技术路径”。

      事实上,智能植物工厂一直是国际高技术竞争的重要领域,但直到21世纪初,中国科学家才正式加入这条科研赛道。

      现在,我国已是植物工厂产业化发展最快的国家,拥有规模以上植物工厂200多座,产品和技术装备已走上国际舞台,推广到欧美、日本等发达国家。

      在杨其长看来,为育种加速,仅仅是植物工厂颠覆传统农作方式的一种可能,不久的将来,在非可耕地,在荒漠、戈壁甚至太空等特殊空间,人工打造一个适宜农作物生长的环境,植物工厂将大有可为——“它代表着未来农业的发展方向!”

      《光明日报》( 2022年07月07日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器30】东方红五号:让卫星公用平台从“跟跑”变“领跑”

      【晒晒咱的国之重器30】

      光明日报记者 张蕾

      “东方红,太阳升……”

      提起“东方红”卫星,许多人都不陌生。

      1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射,它不仅开创了中国航天的新纪元,还把“太空‘听得到’《东方红》”的豪迈,撒向寰宇。

      此后50余年,中国卫星研制能力实现从无到有、从弱到强的跨越式发展,“东方红”卫星(平台)家族,从“一号”到“五号”,枝繁叶茂,不断壮大——

      2019年12月27日,中国文昌航天发射场,实践二十号卫星随长征五号运载火箭发射升空。

      2020年1月5日,卫星成功定点于东经105.5。,几个月后在轨完成全部功能验证和新技术试验。

      至此,我国具有完全自主知识产权的新一代大型地球同步轨道卫星公用平台——“东方红五号”(以下简称东五平台)研制成功了!

      卫星公用平台有啥过人之处?

      “卫星公用平台就好比一辆公共汽车,通过搭载不同的乘客(载荷)来实现卫星的应用性能。”中国航天科技集团五院实践二十号卫星总设计师李峰这样比喻。

      如此一来,只需做少量适应性修改,就可装载不同的有效载荷,从而缩短了卫星研制周期,节省了研制经费,提高了卫星可靠性。据介绍,目前,世界上许多国家都采取了卫星公用平台的设计方法。

      作为东五平台的首飞试验星,实践二十号重达8吨,有近8米高,携带了我国目前面积最大、翼展最长的太阳翼。而且,为适应多种载荷及扩展需求,实践二十号放弃了传统的承力筒式结构,创新性地采用桁架结构技术,有效提升了平台的承载能力和适应性。

      “如果说东四平台让我们具备了同国际同行同台竞技的实力,那么到了东五平台,我们就能实现从跟跑到领跑的转变!”

      中国航天科技集团五院总工程师、实践二十号卫星总指挥、东方红五号卫星公用平台总指挥周志成院士自豪地说,东五平台填补了东方红系列大型卫星平台型谱的空白,可满足中国近20年内高通量通信卫星的需求。

      能力超强,设计理念新,东五平台的一身“绝技”让它拥有广阔的应用前景——

      可广泛应用于高轨通信、微波遥感、光学遥感、空间科学探测、科学试验、在轨服务等,是世界航天领域少有的多适应性平台。

      “在助力国民经济发展、给人民生活带来更多便利的同时,东五平台也能在技术推动、商业航天市场拓展等领域拥有更大作为。”中国航天科技集团五院实践二十号卫星产保经理郝燕艳肯定地说。

      《光明日报》( 2022年06月14日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器29】全域型海洋生态牧场:走向深蓝的巨型“粮仓”

      【晒晒咱的国之重器29】

      光明日报记者 齐芳 光明日报通讯员 王敏

      位于黄渤海交汇处的长岛,水天一色。

      站在长岛岸边,远远望去,海面上均匀分布着一座座“微型牧场”——这些长、宽各70米的海面平台,容纳水体达7万立方米,搭载了水下声呐、水下机器人、5G通信、海洋数据监测等多种系统。平台里面,鱼群穿梭涌动,生机无限。平台周围,一条条海参捕捞船在繁忙作业,收获满满。

      这是我国自主研发的“经海”系列深海智能网箱。作为国家级海洋牧场建设的排头兵,山东省烟台市正在规划建设未来海洋牧场之城,深海智能网箱是该市实施“百箱计划”的第一步。

      你能想到吗?如此巨大的平台,工作人员只需4人,数十万尾鱼完全实现了自动化、智能化养殖。烟台中集蓝海洋科技有限公司总经理郭福元说:“首批‘经海系列’深水智能网箱里的许氏平鲉、花鲈已开始收获,单体网箱年产渔获600-1000吨。”

      海洋占地球表面积的70.8%左右,当土地承载已经满负荷,海洋能不能成为新“粮仓”?又该如何在利用的同时,保护好海洋生态环境?

      中国科学院海洋研究所研究员杨红生告诉记者:“牧养互动是实现海洋农牧化的重要途径,从立体开发角度出发,水面的深海智能网箱是实现工业化生态养殖和智能化监测的重要载体,水下的海洋牧场是实现环境保护、资源养护和渔业持续产出三大功能的蓝色粮仓。”

      深海智能网箱设计和建造并不容易——网衣系统性能与强度设计、网箱大型桁架式结构设计及防腐、坐底式网箱平台非线性流—固—土耦合动力响应分析、抗台风分析及设计……处处都是难点。

      我国科研人员潜心研究、自主攻关。正如“十三五”国家重点研发计划项目首席科学家、中国科学院海洋研究所研究员张立斌所说:“在‘蓝色粮仓科技创新’专项的支持下,我国海洋牧场实现了由以机械化、农牧化和工程化为特征的1.0阶段,向以生态化和信息化为特征的2.0阶段的重大转变。”

      如今,153个国家级海洋牧场示范区顺利获批建设,我国海洋生态牧场做出了自己的特色:“因海制宜”,突破了南北方典型海域生境修复新技术,完成了海洋牧场生境从局部修复到系统构建的跨越;“因种而异”,突破了关键物种资源修复技术,实现了生物资源从生产型修复到生态型修复的跨越;“因数而为”,突破了环境与生物资源远程实时监测和预警预报技术,实现了海洋牧场从单因子监测评价到综合预警预报的跨越。

      从近浅海走向深远海并不是终点,全域型生态牧场建设的3.0阶段正在开启——它将以数字化和体系化为特征,兼顾海水与淡水。杨红生说:“从大农业观和大食物观的角度出发,在海洋里像在陆地上生产粮食一样生产食物,实现耕海牧渔,是我们几代人的梦想。”

      现在,“十四五”国家重点研发计划课题“海洋牧场智能管控与少人化精准协同作业应用示范”正在进行中,科研人员将基于北斗精准导航与高分辨率遥感集成技术,提升海洋牧场智能管控与少人化精准协同作业水平,构建科学选址—规划布局—生境修复—资源养护—安全保障—融合发展全产业技术链条,实现海洋牧场构建原理、技术、装备、模式等自主创新,拓展牧场建设新空间,打造“北斗+海洋牧场”的全域型海洋生态牧场。

      走向深蓝的号角已经吹响,全域型海洋生态牧场的画卷已经展开。未来更加可期!

      《光明日报》( 2022年05月31日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器28】航天测控系统:目尽星河远 连通天地间

      【晒晒咱的国之重器28

      光明日报记者 崔兴毅

      说起“天宫课堂”,大家不会陌生——花形折纸在水膜里的缓缓“盛开”、泡腾片放入蓝色水球的神奇一幕、奇思妙想碰撞的天地互动……传道授业“天上来”,这场长时间的天地“视频通话”是怎样实现的?

      “我们在天地之间打造了一条高效、稳定的通信传输‘天路’!”中国电科测控专家陈建民介绍,在测控站、中继卫星系统中,中国电科从不同维度编织了一条全覆盖的航天测控通信网,与架设在太空中、距地球3.6万公里的中继卫星组网运行。“天宫课堂”的图像和声音,就是由测控站收下来,“送”到我们眼前的。

      声像传输只是“开胃菜”,航天测控系统的神功可大着呢!

      比如,已成功落火并持续开展探测活动的火星探测器“天问一号”。它距地球几亿公里,却能精准接收地面指令,顺利完成每一次动作。

      这穿越天地间的“令”和“行”,都要靠航天测控系统来支撑,而整个过程就像“打电话”。

      再以神舟十三号载人飞船为例。地面测控站通过无线电波,发出“你在哪”的“问询”,神舟十三号通过接收机接收到这个信号,并通过应答机以无线电波的形式,向地面测控站进行反馈。通过无数次这样的问答,技术人员可以准确知晓神舟十三号的高度、具体位置、飞行轨迹,并指导它完成飞行、变轨、对接等一系列动作。

      现在,月球和火星探测是国际深空探测的重头戏。要想更好读懂“星月故事”,除了“做客”参观,坐地“遥感”也很重要。作为地球与深空探测器联系的唯一纽带,测控大家族中的深空探测测控系统正大显身手。

      为完成首次火星探测任务,我国于2020年在新疆喀什地区完成了4副35米口径天线组阵深空测控系统的建设,建成亚洲最大70米口径全可动天线。这让我们具备了稳定接收微弱人造数据信号和感知极微弱宇宙自然天体辐射电磁波的能力,实现了宇宙深空探测器遥感数据接收和射电天文观测科学研究,极大助力“天问一号”科学数据的接收。

      要知道,在执行任务的过程中,每一个测控站都不是单独行动。它们密切配合,确保飞行器一直在可视范围内,并且以接续传递的方式,无死角捕获飞行器的位置和状态。可以说,这是一场精湛的技术接力,需要密切协同配合。

      作为航天测控通信系统总体研制单位,中国电科牵头研制了喀什、佳木斯以及南美地区等地的系列深空测控站。在执行航天任务时,技术专家就要分赴海内外,在测控站外场长时间驻守,对设备进行维护、升级,不分昼夜,经受戈壁、海浪、异国等种种考验,直到收到发射成功的消息后,他们才能放下那颗悬着的心。

      遥望星河,心系苍穹。正是有了这些太空“守望者”,我们才有可能不断揭开宇宙的神秘面纱。

      《光明日报》( 2022年05月19日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器27】锶原子光晶格钟:35亿年不差一秒

      【晒晒咱的国之重器27】

      光明日报记者 陈海波

      逝者如斯夫,不舍昼夜。对于两千多年前的古人来说,时间就是昼夜交替。对于今天的科学家而言,时间是原子的“跳动”。

      在中国计量科学研究院,有一种特殊的计时设备——锶原子光晶格钟。它以锶原子的跃迁频率作为时间计量标准。而且,可以把时间测量的准确度提高到35亿年不差一秒。

      时间这么精确有什么用?大有用处!而且,科技越发展,用处越大!

      就拿已深入每个人生活的全球卫星导航系统来说,精密时间测量发挥了重要作用。导航系统需要多颗导航卫星组网运行,每颗卫星上都放置有特殊的高准确度的钟,将时间发送到地面。科研人员根据接收到不同卫星信号的时间差和坐标,计算出地面的具体位置。在这个过程中,时间越精确,时间差的测量误差就越小,定位的准度就越高。

      中国计量院时间频率研究所所长房芳告诉记者,高精度的时间测量还在5G通信、航天发射和测控、智慧城市等领域有着不可替代的作用。

      不过,要实现高精度的时间测量,并不容易。在很长的历史里,人类计时一直用的是天文秒。就是将地球自转的周期等分为86400份,据此得到秒长。天文秒取决于地球运动的周期,会随地球运动速率的变化而变化,不够稳定,这自然也会影响其准确度。

      随着量子物理的发展,科学家发现某些量子现象的稳定性远远优于天文现象,非常适合作为时间频率基准,于是提出原子秒,并将其定义到铯-133原子跃迁频率上,即铯-133原子振荡91亿9263万1770次为1秒。中国计量院研制的铯原子喷泉钟,准确度达到6000万年不差一秒。

      铯原子喷泉钟属于微波钟,它采用的是原子跃迁吸收微波波段的频率。“而锶原子光晶格钟的光学频率比微波频率更稳定,稳定度提高后,准确度也相应会提高,因此其准确度可以高几个量级。”房芳解释,这种基于光学频率的原子钟又被称为光钟。

      中国计量院从2005年开始自主研制锶原子光晶格钟,并不断改进,相对频率准确度目前可达到10-18秒,相当于35亿年不差一秒,未来还可能提高到上百亿年不差一秒。

      目前,科学界正在探讨未来进一步修改秒的定义的方案,使时间测量更精准。锶原子光晶格钟等光钟,频率更稳定,测量的结果也更准确,为进一步修改秒定义提供了现实可能性。

      当然,光钟更加直接的作用,是作为时间频率计量的基准。钟表走得快了还是慢了,必须有一个最终的参照,光钟就承担这样的角色。

      光钟还可以用来探测引力波。引力波出现时会改变引力势,而引力势会改变光钟的频率。光钟的准度越高,越有利于探测引力波。此外,光钟在验证相对论、检验物理常数变化、发现暗物质等前沿物理领域都可以发挥重要作用。

      逝者如斯夫,我们的科研人员正在为实现更精准的时间测量而不舍昼夜地工作着。

      《光明日报》( 2022年05月07日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器26】“破茧化蝶”:国产大型客机C919

      【晒晒咱的国之重器26】

      光明日报记者 张亚雄

      2017年5月5日14时许,上海浦东国际机场,世界的目光聚焦于此。

      引擎轰鸣、启动滑行,机头昂起、直插云霄,鲲鹏振翅、一飞冲天……

      15时19分,伴随着飞机发动机渐近的轰鸣和人群中激情如火的欢呼,一架后机身被天空蓝色与大地绿色包裹着的客机舒展双翼,稳稳地降落在上海浦东国际机场第四跑道上。

      一个历史性的时刻就此定格。中国自主研制的C919大型客机首飞成功!

      历经多年设计研发,国产中程干线客机终于破茧成蝶,翱翔蓝天。

      从此,万里碧空,多了一款属于中国的完全按照世界先进标准研制的大型客机!这是我国大型客机项目取得的重大突破。

      为什么取名C919?

      它的全称是“COMAC919”(飞机主制造商中国商飞公司的英文名称简写)。“C”是“COMAC”的第一个字母,也是中国的英文名称“CHINA”的首字母;第一个“9”,寓意经久不衰、持久耐用;“19”则代表最大载客量为190座。合起来,就代表着中国一款持久耐用的190座民用客机。

      从1970年我国自主研制的“运十”飞机立项,到2017年C919首飞成功,历经47个春秋,中国人的“大飞机梦”终于成真。

      飞机设计有多难?在“运十”飞机副总设计师程不时看来,研制飞机,就犹如谱写一首自己的歌。而C919并非循着前人的曲子填词,而是重新根据需求创作新曲。

      2008年中国商飞公司成立后,从初步设计到详细设计再到机体制造,C919走过了7个年头。2000多份机翼图纸,机头、机身、机翼、翼吊发动机等一体化设计,近200项专利申请,拥有完全自主知识产权的干线飞机C919,全部设计均由中国人自己的团队自主完成。

      “大飞机是我们建设创新型国家的一个标志性工程,也是一个国家装备制造业的标志。”中国工程院院士、C919大型客机首飞放飞评审会评审委员会主任张彦仲说,“C919大飞机的研制,不仅仅是一个飞机本身,它可以带动材料、装备制造、电子系统、信息等一系列产业的发展。”

      的确,在C919研制过程中,我国大型客机技术创新体系逐步形成,吸引和带动了多所高等院校和多家企业参与大型客机项目研制——5个大类、20个专业、6000多项民用飞机技术,C919的设计研制,带动了我国技术、材料、工艺的群体性突破。

      C919有何骄人之处?与同类型飞机相比,它在安全性、经济性、环保性、舒适性方面特色突出——

      “采用先进的气动设计,气动阻力比同类型飞机小”;

      “安全性大家最关心。它完全按照国际适航标准设计,确保了安全性”;

      “与同类型150座级飞机相比,经济性能更好,因采用了先进的动力系统,它排放的尾气和噪声,比现有飞机要低50%以上。”张彦仲如数家珍。

      “大飞机创造了一个大时代。”中国民用飞机设计专家、中国商飞公司专家咨询组成员吴兴世说。完成立项论证、可行性论证、预发展阶段工作,转入工程发展阶段,C919,正迎来蓬勃发展的春天。

      《光明日报》( 2022年05月03日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器25】海斗一号:向万米海底深潜

      【晒晒咱的国之重器25】

      光明日报记者 齐芳

      这是一条能游弋于万米海底的“中国鱼”。

      身长3.8米,橘色的鱼背、黄色的鱼腹,一双大眼睛明亮有神!

      要问它是谁?它就是我国自主研发的全海深自主遥控潜水器——“海斗一号”。

      水深范围从6000米到11000米左右的深海空间,被科学家称作“海斗深渊”,是人类了解不多的神秘世界,是地球上最深的海洋区域。海斗深渊究竟什么样?什么样的生物生存在那里?生态环境如何?藏着哪些资源……探知这些问题,绝不仅仅是为了满足人类的好奇心。

      中国科学院深海科学与工程研究所研究员彭晓彤曾这样写道:“以深渊进入技术、深渊探测技术为代表的深海技术,代表了当前国际深海工程技术的顶级水平;以深渊地学、深渊生命科学为代表的深渊科学研究,代表了当前国际深海科学研究的最新前沿。”

      顶级水平!最新前沿!可想而知,探索海斗深渊有多难。

      通信、控制、材料……处处是难题,最难的,是如何克服深海压力。因为,海水深度每增加10米,压力就会增加一个大气压。这意味着,在万米海底,一个手指甲盖大小的面积就要承受一吨重量。

      但,这是建设海洋强国必须要征服的高峰。在“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的支持下,中国科学院沈阳自动化所联合国内十余家科研单位,用近4年的时间协同攻关,终于“啃”下了这块硬骨头!

      “海斗一号”在中国国内首次采用全海深高精度声学定位技术和机载多传感器信息融合技术,能够满足科学研究的多种需求。

      它有灵活的手臂——具有完全自主知识产权的全海深电动机械手,能抓取、能布放、能采样;

      它还能“看”——通过高清摄像系统等设备,人类终于可以看清海斗深渊的真实面貌。

      2020年5月,“海斗一号”首探马里亚纳海沟。10884、10907、10802、10863……这些数字不仅代表着一次次被打破的无人潜水器世界纪录,更显示出“海斗一号”卓越的稳定性。它获取的样品与影像资料为我国科学家深入研究海底世界提供了宝贵的一手资料,至今仍在产出科研成果。

      2021年10月,“海斗一号”再探马里亚纳海沟,在万米海底工作的航时、航程以及连续坐底工作时间等多项技术指标取得重要突破,首次在国际上实现对马里亚纳海沟挑战者深渊西部凹陷区进行大范围、全覆盖巡航探测。

      中国科学院沈阳自动化研究所副所长李硕说:“‘海斗一号’连续万米深潜与科考应用的成功,标志着我国无人潜水器技术与装备进入全海深探测与作业应用的新阶段,标志着我国在全海深无人潜水器领域迈向国际领先水平。”

      后续任务紧锣密鼓。李硕说:“除了按计划执行深渊科考任务,我们也将进一步提升‘海斗一号’的智能化水平和科考应用能力,为推进国家深远海战略发展作出更大贡献。”

      “海斗一号”的故事还将继续,未来更加可期!

      《光明日报》( 2022年04月29日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器24】种子方舟:国家农作物种质资源库

      【晒晒咱的国之重器24】

      光明日报记者 杨 舒

      清明一过,73岁的山西翼城老农刘怀智从墙上取下一袋珍珠玉米“老种子”,又要开始播种了。

      产量不高,格外“娇气”,这把不起眼的小粒玉米,整个翼城只有他家还在种,却让第三次全国农作物种质资源普查的科研人员如获至宝。

      “这是一个珍贵的地方品种,至少有100年历史。经过鉴定,爆米花率达到99%以上,粒粒都能爆开,品相优于当前主流品种,极具开发价值,能够保留下来是非常小概率的事件!”中国科学院院士钱前说。

      如今,这把濒临消失的种子有了安全的家——

      2021年9月,国家农作物种质资源库新库在中国农业科学院建成,并投入试运行。作为全球单体量最大、保存能力最强的国家级种质库,这里可以收藏各类珍贵的农作物种子等品种资源150万份,贮藏寿命最长可达50年,作为保障粮食安全的战略资源,堪称种子的“诺亚方舟”。

      小小种子,为什么要精心保护?

      1954年,孢囊线虫病使美国大豆产业遭遇毁灭性打击,该国科学家从种质资源库中“翻箱倒柜”,找到了20世纪初从中国收集到的独特品种——北京小黑豆,正是利用其中特有的抗病基因,最终培育出的大豆新品种才令产业得以复苏。

      高产、抗病、抗旱、耐盐碱……多种多样的农作物种子蕴含着巨量的遗传基因,成为培育农作物新种的坚实“素材库”,然而,许多像珍珠玉米这样的品种正在加速消失,种质资源库应运而生。

      但一份种子想要入库,可不是件容易事。

      每一个品种都要先经田间种植“考验”2到3年,在确认其特点与库内种存在显著差异后,才可被“收编”。入库后的种子,又要经过仔细“体检”,通过处理、清选、生活力检测、干燥等十多道“关卡”,最终装瓶密封。

      这些种子将被保存在不同条件的库里:在-18℃、湿度低于50%的低温库,含水量5%~8%的农作物种子将就此“沉睡”,寿命可从1~2年延长到数十年,唤醒后发芽率仍在九成以上;在试管苗库,草莓、香蕉、马铃薯等几乎不用种子种植的作物以茎尖作为保存材料,在试管中可一待数月;在超低温库,-196℃的液氮则能让作物组织迅速进入冷冻休眠,就像给生长按下了暂停键,几十年后取出,依然可以活力不减。此外,这里还以DNA的方式保存着一些特有、珍稀、濒危、野生的作物遗传资源。

      不仅如此,带有视觉识别功能的机器人滚筒输送线实现了种子的快速存取,感知气味的电子传感器可以隔空分辨种子的代谢变化,监测在库种子的活力……智能化、信息化来相助,让科研人员“穿着棉大衣、登梯爬高存种子”的历史一去不复返。

      新中国成立以来,我国先后启动了三次全国性的农作物种质资源征集,但直到1986年,才建成自己的国家作物种质库(老库)。早年间,种子只能装进纸袋或布袋、放在木头抽屉柜里贮存,保存寿命通常只有两到三年。

      一晃30多年,谁能想到,如今,我国国家农作物种质资源库已保存种质资源总量突破52万份,位居世界第二。而其中约28万份资源已经在野外、农业生产上消失或绝种,库中所藏,已是“绝版”。

      在钱前看来,国家农作物种质资源库是保障国家粮食安全的大国重器,是作物种质资源的“人才库”,也是打赢种业翻身仗的“弹药库”。

      依靠这些珍贵的种质资源,科学家们正通过杂交、分子设计等手段,将优异的农作物基因结合在一起,最终育出突破性的新品种,让中国人用自己的手攥紧中国种子,端稳中国饭碗。

      《光明日报》( 2022年04月22日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器23】中国锦屏地下实验室:捕捉最“弱”的光

      【晒晒咱的国之重器23】 

      光明日报记者 邓晖

      这里是垂直岩石覆盖厚度达2400米的“极深地下”!

      这里是世界上最“黑”的房子!

      在这个深藏于四川凉山彝族自治州,锦屏山交通隧道中部地下的“黑”房子里,伴随着原子核信号放大后的微微闪光,科研人员在不间断运行的仪器旁凝神寻找、捕捉。

      这里,就是中国锦屏地下实验室。

      科研人员每时每刻的工作就是“找东西”。他们在找什么?

      找宇宙中最“弱”的光——暗物质,一种一直没有被“看见”,却在物质起源和宇宙演化过程中具有重要地位的物质。

      如果把宇宙全貌比作一片海洋,到目前为止,人类碍于有限的理解和观察手段,还只是在探索这片“海洋”的一小部分。天文学的众多观测数据表明,暗物质约占整个宇宙物质质量的85%。但,它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用。

      为了捕捉到这神秘又“腼腆”的暗物质,21世纪以来,国际上相继开展了20多个探测实验。人们相信:谁先揭开它的面纱,谁就将促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。

      当前,暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三类:“上天”指间接探测实验,为减少地球大气层的干扰,通常在太空进行;“入地”指直接探测实验,为减少宇宙线的干扰,通常在地下实验室进行;“人造暗物质”指加速器实验,即通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子,主要在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行。

      中国锦屏地下实验室开展的研究就属于“入地”。

      在这里,2400米的岩石隧道就像一个暗室,牢牢地把宇宙射线的噪声挡住。与国际上其他地下实验室相比,这里岩石覆盖最深,宇宙线通量最小,可用空间最大,并且具备交通便捷、电力及水源充足的优势。

      2010年12月12日,“中国锦屏地下实验室”揭牌并投入使用,标志着中国拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台。随后,清华大学牵头的盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液氙暗物质实验项目入驻。

      “类似于‘等暗物质自投罗网’。”清华大学工程物理系教授、CDEX暗物质实验负责人岳骞介绍,在这个极度安静的实验室里,两支团队所放置的探测器中的靶粒子会和暗物质“相撞”,并从它们身上得到一点能量,而这个能量可以变成电离信号也可以变成热振动信号,或是闪烁光信号。科学家们可以把暗物质粒子和普通物质相互作用后的各种参数都记录下来,从中统计规律,再利用这些蛛丝马迹一点点拼凑出暗物质的信息。

      事实上,暗物质和普通物质相撞的概率极低。科学家们可不是守株待兔。

      4000立方米的实验室一期里,每一个实验环节的精心设计,每一位科研人员的分秒必争,都向着两个目标奔赴——增效,千方百计提升暗物质的碰撞信号;降本,绞尽脑汁屏蔽背景的干扰信号。

      成果接二连三。2013年,CDEX合作组发表了我国首个暗物质直接探测实验结果。2014年,给出点电极高纯锗暗物质探测方面国际最灵敏实验结果,这一结果利用相同探测技术,确定性地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质存在区域。近两年,虽然在中国锦屏地下实验室的国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”还在紧锣密鼓的建设过程中,但两个实验组持续取得新突破,在暗物质年度调制、暗光子、轴子等不同暗物质模型下给出了一系列国际先进成果,保持国际“并跑”。

      眼下,正在建设的二期实验空间将增加到30万立方米。更多科研团队正摩拳擦掌,等待进入扩建后的这个极深地下实验空间。

      暗黑世界,只为那一眼“看见”!在这条路上,每一点执着坚持后的发现都将使人类对物质世界的认识更进一步,也必将在科学史上镌刻下属于中国科学家的一笔。

      《光明日报》( 2022年04月12日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器22】“华龙一号”:中国核电走向世界的名片

      【晒晒咱的国之重器22】

      光明日报记者 崔兴毅

      你可能一直对苏联切尔诺贝利核电站、日本福岛核事故心有余悸;你可能总会对与核有关的一切加一份小心——“安全吗?”

      但如果你认识“华龙一号”,你一定会放下担心,给它一个大大的赞!

      “华龙一号”是什么?

      它是我国具有完全自主知识产权的三代压水堆核电创新成果。3月25日,“华龙一号”示范工程第2台机组——中核集团福清核电6号机组正式具备商运条件。至此,“华龙一号”示范工程全面建成投运,我国核电技术水平和综合实力跻身世界第一方阵。

      我们为什么对“华龙一号”的安全性底气十足?

      那是因为,设计人员给它配备了世界上最坚固的盾牌——“双层安全壳”!有了它,可以抵御17级台风,可以应对9级烈度地震的袭扰。而在反应堆内部,“华龙一号”创新性采用“能动与非能动相结合”设计理念,以非能动安全系统作为高效、成熟、可靠的能动安全系统的补充,层层布置,纵深防御,抗震能力大幅提升。

      “可以说‘华龙一号’具有目前人类对核电最高级别的安全防护,能够确保我们不会发生类似于福岛这样的核事故。”中核集团华龙一号总设计师邢继言辞肯定。

      不仅安全性高,“华龙一号”的发电能力也不容小觑。目前,“华龙一号”福建福清核电5、6号两台机组,每年能发电接近200亿度。

      “200亿度”,这是什么概念?

      让我们以三峡大坝来举例——平均年发电量900亿度。这样看,建造9台“华龙一号”,就能抵得上一个三峡大坝。而且,水力发电受自然环境影响,在丰水期与枯水期的效能截然不同,核电则能日夜不停地提供电力,不受季节和地域限制。

      “200亿度,还相当于每年减少标准煤消耗624万吨、减少二氧化碳排放1632万吨,相当于植树造林1.4亿棵,对实现我国双碳目标意义重大。”邢继说。

      要知道,设计建造核电站可不是个简单的事。这样一个极其复杂的超级工程,涵盖上千个系统,仅设计图纸就超十万张,每更改一个数据,就意味着需要重新进行一轮分析计算。也正因此,国际上大部分三代核电机组的首堆建设都曾陷入拖期泥潭。

      但“华龙一号”却创造了建设工期的世界纪录——以68个月的最短周期,打破“首堆必拖”的魔咒,成为全球首个按期投产的三代核电首堆。

      “华龙一号”能按期推进,秘籍就藏在中国30余年不间断建设核电的积淀里——

      “‘华龙一号’中的全新设计,可以说是革命性的,没有任何现成的经验可以借鉴,怎么办?”

      “对于设计上的改进,以前的整个试验方案都行不通了,怎么办?”

      “试验方案有几种,用哪种最合适?”

      为了找到这一系列问题的答案,中国核电人一次次推演论证、又一遍遍调整甚至推翻,合力闯过技术难关。

      “我们深信,为华龙拼命一点都不苦,看不到核电自主创新的出路,才是真的痛苦!”“华龙一号”福清5、6号机组总工程师魏峰如此感叹。

      的确,假如“华龙一号”会说话,它会告诉你一个关于核电自主创新梦想成真的传奇故事。

      从过去建设核电站用的地板砖、水泥都要从国外进口,到现在的三代核电“中国芯”“能动+非能动相结合”安全技术、综合性热工水力试验平台……716件国内专利、80件国外专利,覆盖设计、制造、建设、调试等全部领域,只为核心关键设备不受制于人。

      如今,“华龙一号”作为我国核电走向世界的“中国名片”,已经与巴基斯坦、阿根廷等60多个国家和地区达成合作进展。而作为全球市场接受度最高的三代核电机型之一,“走出去”的“华龙一号”收益相当可观——每出口1台,就相当于出口30万辆汽车,能拉动装备和设计超过百亿元人民币,全寿命周期超过千亿元人民币。

      《光明日报》( 2022年04月04日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器21】风云系列气象卫星:遥看地球万千变幻

      【晒晒咱的国之重器21】

      光明日报见习记者 张晓华 光明日报记者 张蕾

      你可能不知道,2017年9月25日至28日,当你打开微信,启动页面上的“地球”,正好是从我们的祖国上空拍摄的。

      而地球的这张长焦特写,出自目前最牛的静止轨道“地球摄影师”——风云四号A星。

      “风云”这个名字,你不该陌生。它是我国独立自主研制的一套完整气象卫星系统。自1970年开始研制起,风云系列气象卫星从零起步、发展迅速,最终助力我国成为世界上少数同时拥有极轨和静止轨道气象卫星的国家之一。

      而风云家族可是个大家族。

      截至目前,我国已成功发射“两代四型”共19颗风云气象卫星。其中,风云一号和风云三号属于极轨卫星,它们通过南北两极围绕地球飞行,能够进行全球观测;风云二号和风云四号属于静止轨道卫星,它们始终和地面保持相对静止,用于对我国及周边区域进行气象探测。

      天气预报、气候预报、灾害监测、科学研究,在众多重要领域,风云家族成员个个身手不凡,业务覆盖近百个行业,能持续为全球118个国家和地区提供数据产品和服务,难怪被称为“百姓星”“中国星”。

      风云家族的每个成员都身怀绝技。

      2021年7月1日,为庆祝中国共产党成立100周年大会提供精准气象预报;两个半月后,陕西“十四运”开幕式结束10分钟后大雨如注……中国航天科技集团八院风云四号气象卫星产品保证经理陈晓杰说:“这些‘分钟级’的气象保障服务都有赖于2021年6月3日发射的风云四号B星,它搭载的快速成像仪卫星载荷可以实现1分钟间隔250米分辨率的高时空观测,能为精细化监测以及人影作业的准确实施提供有力支撑。”

      参加“十四运”气象服务的还有被称为“黎明星”的风云三号E星:它在晨昏时间进行观测,可弥补全球数值天气预报6小时同化窗口内卫星观测资料的空白,有效提高天气预报的精度和时效;它搭载的微光观测设备,在光线不足的情况下也可“看得清”地球上的风起云涌;它携带的太阳全能谱观测仪,可实现对日冕层的全能谱观测,这是对地球环境影响最直接的太阳外部结构,将为科学家理解地球气候和天气变化的原因提供更全面的资料。

      我们再说说微信启动画面的“拍摄者”——风云四号A星。它对我国及周边区域每5分钟成像一次,最高分辨率为500米;在国际上首次实现垂直探测仪器和成像观测仪器同台工作,一颗星做了别的国家两颗卫星的工作,被称为中国气象卫星界的“实力担当”。

      风云家族的未来可宏大呢!

      据悉,2035年前,我国将建成第三代风云气象卫星综合观测体系,实现星地—星间协同智慧观测,全球观测数据获取和处理时效将达到1小时以内。“第三代气象卫星将实现精准预报,满足全要素、精细化气象观测需求,在气象预报、气候预测、大气化学、生态环境监测以及防灾减灾等应用领域起到主导作用。”中国航天科技集团八院风云三号卫星总体主任设计师陈晓飞描绘的蓝图令人振奋。

      大千世界,气象万千,且看“风云”如何变幻……

      《光明日报》( 2022年03月23日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器20】闪耀苍穹:北斗卫星导航系统

      【晒晒咱的国之重器20】

      光明日报记者 张蕾

      照顾300多头骆驼在大漠戈壁中“闲庭信步”,会是什么感觉?

      曾经,这是牧民巴都玛拉最艰巨的任务——每天骑着摩托车在沙漠里漫无目的地找放养的骆驼,一找就是一天。

      而今,一款“神器”让巴都玛拉如获至宝——给骆驼戴上北斗定位项圈,通过手机可以远程实时掌握骆驼群的位置和移动速度。“过去找骆驼每天要跑几十里地甚至更远,现在有了这个宝贝,找骆驼轻松了,不用在沙漠中奔波受苦。”巴都玛拉开心地说。

      巴都玛拉口中的这个宝贝,正是北斗,全称为“北斗卫星导航系统”。

      中国人对于“北斗”的信赖由来已久。北斗星,犹如茫茫苍穹中的一座灯塔,在暗夜中指引方向,于星际间探索未知——也正因此,我国将自主研发的卫星导航系统命名为“北斗”。

      2020年6月23日9时43分,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空,约30分钟后进入预定轨道。至此,中国北斗工程完成了“三步走”,55颗导航卫星在浩渺太空“织”出一盘“大棋局”。

      殊不知,为了这盘“大棋局”,数十载里,千军万马闯过了千难万险,付出了千辛万苦。

      北斗棋局,始于20世纪后期。

      棋路清晰“三步走”:“2000年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;2020年中期,建成北斗三号系统,向全球提供服务。”北斗一号卫星总设计师、中国工程院院士范本尧回忆。

      棋局之高明,范本尧更是如数家珍:“首次成功采用由‘3颗地球静止轨道(GEO)卫星+3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星+24颗中圆地球轨道(MEO)卫星’组成的多轨混合星座,大大提高了我国周边地区的定位精度,以及导航系统自身的健壮性和生存能力;首次成功采用RDSS+RNSS导航双体制,不仅让导航系统有了备份,还拥有报文通信功能;部分卫星首次使用激光星间链路,在高、中、低轨星座间以及地面站间形成通信链路,不仅提高了导航系统的定位精度,还解决了在国外无法建站的难题;卫星部件100%实现国产化,特别是自主研制出星载高精度原子钟,打破了核心部件长期依赖进口、受制于人的局面……”

      更难能可贵的是,以自力更生为风骨、自主创新为灵魂的北斗卫星导航系统,始终将服务全球、造福人类作为初心与使命。

      广袤原野,定位“神器”可以助力牧民智慧放牧;田间地头,高精度技术能帮助农民起垄、播种、喷药、收获。还有我们日常生活中的时时处处:当你想找“小黄车”时,当老人走失、驴友迷路时;当然,还有民航、海事、全球搜救的关键时刻……自建成开通以来,北斗系统运行稳定且性能不断提高,持续满足着全球用户的需求,成为我国积极推动构建人类命运共同体的生动案例。

      如今,北斗系统的规模应用已进入市场化、产业化和国际化发展的关键阶段。“目前,全球一半以上的国家和地区都在使用北斗产品。”北斗卫星导航系统工程总设计师、中国工程院院士杨长风说。

      仰望星空,北斗璀璨,浩渺的星河从未离我们如此之近。中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗——这是北斗系统不变的初心,更是时代赋予中国的历史使命。

      《光明日报》( 2022年03月21日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器19】“悟空”号暗物质粒子探测卫星

      晒晒咱的国之重器19

      光明日报记者 杨舒

      距离地面500公里左右的太阳同步轨道上,来自中国的“悟空”正在遨游。

      每天,这颗1米见方的小小卫星绕地飞行大约15圈,用“火眼金睛”努力探测着宇宙高能粒子的踪迹。

      这只“孙猴子”到底在找什么?

      其实,浩瀚的银河系中,除了恒星、行星等这些我们肉眼可见的天体,还可能存在许多看不见的暗物质。科学家们推测,它们不发光、也基本不与其他物质有相互作用,在一般光学手段观测下,犹如“隐身”。

      不过,当一对暗物质粒子偶然碰撞时,可能会湮灭,并放出电子、正电子和伽马射线等高能粒子。如果能够精确“捕捉”到这些粒子的信息,就可能反推出暗物质存在的蛛丝马迹。

      2021年9月7日,“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据向全球公开。自2015年12月17日成功飞天,“悟空”一次次所发布的宝贵数据令世界瞩目,推进着人类对宇宙的进一步认识。

      这只“孙猴子”到底长什么样?

      这颗由中国科学院研制生产的卫星,体积比一张办公桌大不了多少,像一个倒立的银白色四层蛋糕,有效载荷却达到1.4吨,内部集成了近8万路电子学信道。从上到下,“悟空”装备有四大探测器:塑闪阵列探测器、硅阵列径迹探测器、BGO(锗酸铋)量能器和中子探测器。其中,BGO量能器包含300多根60厘米长的锗酸铋晶体。这些漂亮的“水晶棒”犹如孙悟空的“金箍棒”,对入射粒子的能量能进行极为灵敏的测量。

      它的视力究竟要多强,才能称得上“火眼金睛”?

      据“悟空”号首席科学家、中国科学院院士常进介绍,“悟空”号是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间宇宙线探测器,也是我国第一颗空间天文卫星。它平均每秒就能“捕捉”60个高能粒子,可以对GeV到数十TeV量级之间的电子、伽马射线等宇宙线粒子进行测量。

      这是什么概念?1GeV是10亿电子伏特,1TeV是1000GeV,即1万亿电子伏特。而人眼所能接收到最敏感的可见光能量,仅仅约为2电子伏特。

      飞行6年多,“悟空”号已经完成全天区扫描超过11次,获取了百亿个高能宇宙射线事件。每天清晨和傍晚,这只“孙猴子”都会飞过中国的上空。位于北京密云、新疆喀什和海南三亚等处的接收站每天接收着“悟空”号传回的数据,透过这些数据,暗物质的面纱已陆续被揭开……

      2021年5月,“悟空”号团队绘出迄今最精确的高能氦核宇宙线能谱,并观测到能谱新结构。这是“悟空”号继精确测量电子能谱、绘制高能质子宇宙线能谱后,第三次发布重要科学结果,标志着我国空间高能粒子探测已跻身世界最前列!

      国际物理学界普遍认为,揭开暗物质之谜,将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次基础科学变革。

      踏入暗物质探测竞赛的前沿,中国科学家们相信,借助“悟空”“火眼金睛”的广大神通,我们将可以窥见崭新的宇宙面貌,离逮住那“看不见摸不着”的暗物质,也许不远了!

      《光明日报》( 2022年02月22日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器18】三代核电技术的中国品牌:“国和一号”

      【晒晒咱的国之重器18】

      光明日报记者 张翼

      “受益无穷”还是“谈核色变”?中间只隔着“安全”与“高效”两个词。

      2020年9月28日,国家电力投资集团有限公司正式发布我国三代核电自主化标志性成果“国和一号”——通过三代核电自主化,我国正在实现对国际最高水平的赶超。

      山东荣成的冬天,寒风凛冽,空气湿冷。

      “国和一号”拼装现场,廖正友正在一项一项地进行着安全排查,不容放过任何一个细节。他是中国核工业二三建设有限公司国核示范工程项目部的安全员,更让他引以为傲的是,他是“国和一号”缔造者中的一员。

      自2008年启动项目研发,600多家单位、31000余名技术人员参与,累计形成知识产权成果超过7600项,设备国产化率超过90%……这,就是“国和一号”的简历。

      这份简历的底纹,印着四个大字——自主创新。“‘国和一号’打破了多项材料及设备制造技术垄断,主泵、爆破阀、压力容器、蒸汽发生器、堆内构件等关键设备材料全部实现自主化设计和国产化制造。”大型先进压水堆核电站国家科技重大专项总设计师、国家电力投资集团有限公司核能总工程师郑明光语出豪迈。

      但是,有谁知道,今天的这份豪迈缘自一个大门槛。

      根据以前与外方的合作协议,只有电功率超过135万千瓦,我国才能拥有三代非能动核电的自主知识产权。

      135万千瓦,对非能动安全和主要设备来说,就是那个大门槛。“这不是简单的等比例放大,而是要具备自主设计、研制和试验的能力——不掌握核心技术,这个大门槛就迈不过去。”郑明光说。

      于是,从核电“大动脉”主管道到“心脏”主泵,从“大脑”核设计与安全分析软件到“中枢系统”核电仪控,再到电缆、仪表等遍布核岛各处的“血管”“神经”……三代核电自主化技术攻关团队在关键核心技术上狠下功夫,一项项空白逐步扫清。

      72小时、56个月、60年、900万吨、153.4万千瓦,它们之间有什么关联?

      它们,可以换算成“国和一号”安全、经济与环保的效果图——采用非能动安全系统、事故后无须人工干预时间为72小时,建造周期56个月,电站整体和主体设备寿命60年,每年二氧化碳减排量约900万吨,单机组发电功率153.4万千瓦……

      还有一个数字你该了解:核电技术从二代跨越到三代,安全水平提高100倍。

      这是安全性质的飞跃。那么,“国和一号”的安全性到底有多硬核?

      让我们用事实说话。

      先看“国和一号”最外层的混凝土屏蔽厂房:仅厚度就有1.1米,采用独特的SC特殊结构,两层钢板内部填充高性能、高强度的混凝土,纵使台风、海啸来袭,商用大飞机撞击,它都岿然不动。

      再看由4道屏障构成的内部安全保护:燃料芯块、燃料包壳、一回路压力边界、钢制安全壳,特别是直径43米、高70多米的钢制安全壳,仿佛一个巨大的胶囊型钢铁屏障,事故后可以将放射性物质牢牢包裹住。

      而作为三代非能动核电特殊标志的顶部“帽子”,实际上是一个大水箱,代表着最关键的核安全设计理念——不依赖外在动力源即可运行。“把安全系统的水箱放在高位,一旦发生事故时,水会在重力作用下流到反应堆堆芯或安全壳表面,自动冷却堆芯与安全壳系统,保证反应堆堆芯与安全壳这道安全屏障不受损坏。”郑明光介绍。

      得三代先进核电技术“真经”者,得清洁能源的未来!如今,国之重器“国和一号”的创新故事仍在上演,让我们拭目以待。

      《光明日报》( 2022年02月11日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器17】我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星

      【晒晒咱的国之重器17】

      光明日报记者 齐芳

      深冬寒夜,中国科学院大气物理研究所2号楼816办公室灯火通明。

      杨东旭副研究员带领课题组一直在忙——利用我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星(碳卫星)取得的观测数据,他们在分析计算全球碳汇和碳排放时空分布的新结果,讨论我国碳汇变化趋势。“这能够帮助我们了解这颗卫星的优势和不足,以便优化未来卫星的设计”。

      二氧化碳排放是地球变暖的元凶之一。谁排放了二氧化碳?排放了多少?这些二氧化碳又去哪里了?

      这是科学研究需要回答的问题,是政策制定的科学依据,也是全球气候变化国际谈判中的关键数据——

      “碳卫星”能够帮助我们给出答案!

      2016年12月22日,它在酒泉成功发射。它带在“身上”的,有我国科研人员自主研发的高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪等探测设备。这一下子,标志着我国在温室气体监测领域达到了先进水平。

      有了观测数据只是第一步,接下来是数据的反演——

      太阳辐射在大气中是如何传输的?大气散射、吸收有什么特征?中国科学院大气物理研究所的科研团队研制出了中国碳卫星二氧化碳浓度反演算法,高精度模拟,精确地刻画,这些问题,迎刃而解。

      正因为有了这样精度优、效率高的算法,全球大气二氧化碳含量的实时变化情况可以真实、客观地反映出来,碳源汇的定量计算与监测也有了依据。

      这颗“碳卫星”真是出手不凡:2017年9月,首幅全球二氧化碳分布图问世,平均精度达到2.11ppm;2020年,中科院大气物理所刘毅团队改进了数据质量和反演算法,将数据精度提升到1.5ppm,并获得陆地生态系统日光诱导叶绿素荧光数据产品;2021年,获取了中国“碳卫星”首个全球碳通量数据集。

      “这是一个里程碑式的结果,标志着我国具备了全球碳收支的空间定量监测能力,是国际上继日本、美国之后的第三个具备该技术的国家。”杨东旭自豪地说,这颗“碳卫星”,让我国科技工作者和相关部门能够掌握第一手数据,增加了我国在气候变化全球谈判中的底气。

      工作还在继续,正如刘毅所说:“我们希望能与其他国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’,联合观测大气二氧化碳,为全球气候变化提供更加丰富的监测数据。同时,我国新一代‘碳卫星’的设计与研发已经提上日程。这将助力我国实现‘双碳’目标,也体现了一个大国的担当。作为科研人员,我们深感使命光荣。”

      《光明日报》( 2022年02月08日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器16】洞悉宇宙的“中国天眼”

      晒晒咱的国之重器16

      光明日报记者 詹 媛

      身在洼地,却能捕捉遥远星系的极微弱信号。这是怎么做到的?

      这,就是我国500米口径球面射电望远镜——“中国天眼”(FAST)的过人之处!

      它是世界最大单口径射电天文望远镜,目之所及,即是“光年之外”;“功力”强大,洞悉深暗宇宙。

      山廓作眼睑,圈梁是眼眶,反射面板当眼球,馈源舱为瞳孔——高空看它,银色巨“眼”,气象非凡:它的口径达500米,相当于30个足球场的接收面积,光反射面板就有4450块;除了大,值得骄傲的还有,它是世界上灵敏度最高的射电望远镜。

      众所周知,天文学是一门高度依赖观测设备的科学。没有观测设备,只能开展理论研究或者根据别人的资料进行研究。

      现在好了!历时22年,有了“天眼之父”南仁东倾毕生心血建成的“中国天眼”,“我们在国际天文学领域的地位不一样了……在射电天文学领域,我们已经进入第一方队。”中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平说。

      引力理论、星系演化,乃至物质和生命的起源,解锁这些困扰人类已久的宇宙奥秘,“中国天眼”可以发挥什么作用?

      来看看它的成绩单吧!

      正式验收两年来,已发现约500颗脉冲星,成为世界上发现脉冲星效率最高的设备。“我们有信心搜寻到1000颗脉冲星。”国家天文台首席研究员韩金林说,作为大质量恒星死亡后的残骸,脉冲星长期以来都是天文和物理的前沿研究领域,对其发现和研究,是国际上大射电望远镜关键科学目标之一。“中国天眼”,已经成为世界上最强大的脉冲星搜寻利器!

      年观测时长超过5300小时,已远超国际同行预期的工作效率;基于观测数据发表的高水平论文达到120余篇……其中,快速射电暴(宇宙中最明亮的射电暴发现象)研究成果发表于国际科学期刊《自然》杂志,使得我国相关科研团队迅速成为国际快速射电暴的核心研究力量。1月6日,《自然》杂志以封面文章形式发表“中国天眼”中性氢谱线测量星际磁场的重大进展,人类破解恒星诞生谜题又前进了一步。

      按照科学目标和相关战略规划,“中国天眼”还确立了多个优先和重大项目,包括多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等。

      科技创新离不开国际合作和开放共享。

      “中国天眼”在建设之初,即确立了按照国际惯例逐步开放的原则。从2021年3月31日向全球科学家开放观察申请至今,“中国天眼”已收到全球共7216小时的观测申请,最终,14个国家(不含中国)的27份国际项目获得批准,并于2021年8月启动。

      好消息不断——“中国天眼”正在考虑拿出1%的观测时间对全国中小学生开放。“中小学生可以提出好的科学想法,由专业天文学家帮助他们来实现。”武向平说。

      洞悉宇宙,全人类将借助“中国天眼”,获得更广阔的视野。

      《光明日报》( 2022年01月25日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器15】极地科学考察船“雪龙2”号

      【晒晒咱的国之重器15

      南极洲,一艘巨轮,身披中国红,高昂起船首的破冰艏柱,犁开一条水道缓缓驶来。

      这是中国“雪龙2”号!

      2021年11月23日,中国第38次南极科学考察队第二批101名队员乘坐“雪龙2”号极地科学考察船,从上海启程,开赴南极。自2019年7月交付使用以来,这艘我国首次自主建造的极地科考破冰船已历经多次大考,成为咱中国人探索极地的“神兵利器”。

      南极,蕴含着无数科学奥秘,早在百年前,欧美国家就已纷纷迈出了科考的脚步。

      但直到1984年,我国科学家才首次“出征”南极。彼时,没有破冰船,仅靠普通船只开启了步履维艰的极地探索。

      9年后,我国从乌克兰购买了一艘尚未完工的北冰洋运输补给船,经多次改造,成为我国唯一一艘极地科考破冰船——“雪龙”号。这艘功勋船“单兵作战”,一干就是20多年。然而,功能上的“半路出家”,加之船龄上的“老骥伏枥”,老“雪龙”已然不能胜任我国极地科考的艰巨任务。

      “雪龙2”号因时而生。

      它由自然资源部所属中国极地研究中心组织实施建造。对标世界一流科考破冰船,“雪龙2”号船长超过120米,船头形似一个破冰的锤头,可以每小时2至3海里的速度在1.5米厚的冰层中连续“行走”。它的续航力达到2万海里,在额定人员编制的情况下,中途不补给,最长可以在海上连续活动60天。

      让全球啧啧称羡的是,“雪龙2”号有一把独门绝活——双向破冰。船头、船尾不论是正向行驶,还是倒退时都可破冰。不仅如此,它的螺旋桨强度也比普通船舶高得多,在遇到难以破碎的冰脊时,可用船尾高速旋转的螺旋桨把冰“削”碎,开出一条水路。

      以往,在“雪龙”号上,科考队员取样和布放探测器时,都须冒着坠海的风险站在船边,如果浮冰太多,取样更难。但在“雪龙2”号上,设计有一个直通海底的“井口”——月池,让科考仪器可以在船上直接入水,即便船外被100%海冰覆盖,也不怕了。

      此外,各式各样的传感器遍布全船,组成了智能“神经系统”,使其在复杂的环境中也能实现自动驾驶。先进动力定位系统的配置,更能令船体在狂风大浪中“稳如泰山”。

      “‘雪龙2’号不仅填补了我国在极地科考重大装备领域的空白,更彰显出我国船舶技术的不断提高。”“雪龙2”号总设计师吴刚说。

      “雪龙2”号的命名人是中国科学院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员陈大可。对于这艘巨轮的期待,陈院士在命名词中这样写道:

      “我命名你为‘雪龙2’号,愿你:承续永恒的南极精神,满载极地人和祖国的期许,承载起极地求索的使命与担当,承载起兴海强国的光荣与梦想,面向南北两极,劈波斩浪,破冰前行,顺利平安!”

      《光明日报》( 2022年01月13日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器14】国家微生物科学数据中心

      【晒晒咱的国之重器14】 

      光明日报记者 齐芳

      细菌、病毒、真菌、支原体、衣原体……

      谈及它们,你定会避之不及。但是,你知道吗?在地球生物圈,它们占据着重要位置——环境、食品、医药、健康、工业、农业、化学化工、材料、生物安全,与人类存续相关的所有环节,几乎都与它们有关。其家族成员还包括放线菌、立克次氏体、螺旋体……它们,都是微生物。

      微生物研究,是科技界持续关注的热点,也正因此,微生物科学数据成为一种重要战略资源。

      2019年6月,作为我国首批启动的20个国家科学数据中心之一,依托中科院微生物研究所,与中国疾控中心传染病所、中科院海洋所、中科院上海植物生理生态研究所、中科院计算机网络信息中心等单位共建的国家微生物科学数据中心,开始承担起保存、整合、挖掘、利用微生物科学数据的重大使命。

      模式微生物、基因序列、标本、菌种……从开始的自有数据共享,到如今,国家科技计划汇交数据、期刊数据、华大基因等测序公司数据源源不断地汇集,你能想象吗?这里,已汇集数据条数超过40亿、3PB;这里,已成为我国最重要、在世界上有极大影响力的微生物科学数据中心。

      不仅如此,国家微生物科学数据中心还制定了第一个微生物数据领域的国际ISO数据标准,覆盖资源、物种、组学、功能等方面的数据管理与发布。他们还在此基础上开发了拥有自主知识产权的数据管理平台,在国内外上百家单位使用。

      中心主任、中科院微生物所研究员马俊才时常会被问到这样一个问题:“国际上已经有GENBANK、GISAID等比较知名的微生物数据库,如果科学是无国界的,为什么我们还要建立自己的数据库?”

      马俊才的回答总是耐心而坚定——

      “国家微生物科学数据中心与这些数据库从来不是非此即彼的关系,它的建立,既是为了保障国家微生物数据主权,也是为了依法依规推动数据共享和国际交流。”

      马俊才说,目前几家比较大的数据库均在国外,数据收录和公布的流程比较复杂、时间比较长,有些数据库的下载还要收费。

      “我们国家财政支持的科研所产生的数据,中国科学家使用还得给别人交钱,这合理吗?”

      好消息来了!马俊才说,作为国家科技资源共享服务平台,中心数据资源全部免费共享,“这从某种程度上解决了我国科学家不能使用我国数据的窘境”。

      有了科学数据,还要让数据“活”起来——

      国家微生物科学数据中心在数据的加工整理和分析挖掘上下了大功夫。马俊才说,他们以国家微生物科学数据中心为依托,与国家食品安全领域开展合作,建立了国家食源性致病微生物全基因组数据库及溯源网络,对31个省区市的60种食品基质、9000株细菌、500株真菌、500株病毒的菌种进行测序,并建立了相应的大数据平台和应用系统,保障国家食品安全。

      接下来的目标是什么?马俊才说:“我们也在不断提升自己的能力和国际影响力,建立更多数据标准、牵头国际重大合作计划,争取吸引更多国内、国际科学家把科学数据提供给我们,建立更多具有国际权威的微生物数据库。”

      《光明日报》( 2022年01月04日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器13】全能影像诊断设备:一体化PET/MR

      晒晒咱的国之重器13】 

      光明日报记者 颜维琦

      它是玩转“跨界”的顶尖高手,有人说它好比变形金刚里的“大黄蜂”——一次扫描可以同时获得两种模态的数据,10分钟三床位即可完成全身扫描,同时采集患者组织结构、功能状态及分子代谢信息等多维度信息,从分子水平提供精准“情报”,从而大大提高肿瘤、神经系统及心血管系统等疾病的早期发现,有助于疾病防治关口前移,提升重大疑难疾病的诊治水平。

      它又被业界誉为“科技皇冠上的明珠”,是目前世界上最先进的分子影像学检查设备,堪称高端医学影像诊断设备领域最尖端技术的代表。要摘取“明珠”,谈何容易!由于研发难度极高,此前只有两家跨国公司具备研发能力。联影医疗“一体化PET/MR”投入市场后,这一状况才得以打破。

      2018年10月,由联影医疗牵头主导,携手数十家顶级科研院所、医院完成的“一体化PET/MR”项目获国家药品监督管理局认证,正式进入市场。这是“十三五”以来国家大力推动产学研医深度融合创新的成果,填补了中国在高端医疗设备最尖端领域的空白。

      一体化PET/MR,顾名思义,就是把正电子发射计算机断层扫描仪(PET)与磁共振成像系统(MR)有机整合到一起。联影医疗牵头完成的这一设备,实现了核心部件自主研发,且性能领先国际。在复旦大学附属中山医院进行的临床验证中,不到一年时间,累计扫描患者上千人,第三方检测机构评估显示,各项核心性能参数达到甚至部分超过国际先进水平,其中空间分辨率提高60%,成像速度提高一倍。截至目前,联影医疗“一体化PET/MR”已在国内十余家顶级三甲医院投入使用。

      在颅脑肿瘤、胰腺癌、前列腺癌、多发性骨髓瘤等肿瘤诊断中,联影医疗“一体化PET/MR”能够实时、全方位锁定病灶,不放过局部微小病灶与远端转移灶,助力医生精准诊断。

      这一影像诊断中的“全能王”,还能全方位提供关于大脑解剖、生理、代谢与功能方面的信息,助力神经退行性疾病、癫痫等脑科学方面的前沿探索。没有电离辐射,可大幅减少射线剂量,也让它对儿童和需要多次复查的肿瘤患者更为友好。

      “更加精准、更加高效、更多信息、更加安全”,作为国产医学影像尖端设备的代表,一体化PET/MR在脑图谱绘制、新冠肺炎患者康复监测等领域也发挥着重要作用,助力科学家们迈向科研更高峰。

      《光明日报》( 2021年12月26日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器12】高海拔宇宙线观测站

      【晒晒咱的国之重器12】

      光明日报记者 齐 芳

      仰望星空,你是否会好奇:我们身处的宇宙从何而来?宇宙中究竟有什么?未来又向何处去?

      青藏高原上,有一群科学家正努力寻求答案——

      在海拔4410米的四川省稻城县海子山,铺开一张占地面积约1.36平方公里的“大网”,捕捉被称为“宇宙飞弹”的宇宙射线。这就是由国家发展改革委立项支持的高海拔宇宙线观测站,昵称“拉索”(LHAASO)。

      高能宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109~1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。宇宙线弥漫在整个宇宙,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。研究宇宙线及其起源是现代物理学中最基础的问题之一,也是人类探索宇宙的重要途径。

      “LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动,并寻找暗物质;广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源等。”LHAASO首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻介绍,LHAASO通过捕捉光子来研究宇宙线,这张“大网”的一个个节点是布置在地面上的5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器,“大网”的中心是占地78000平方米的水切伦科夫探测器,水切伦科夫探测器外侧就是18台广角切伦科夫望远镜。

      让曹臻自豪的是,LHASSO具有最高的超高能伽马射线探测灵敏度、甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,最宽广的能量覆盖度对宇宙线能谱和成分进行精确测量,不仅是目前国际上最先进的地面宇宙线探测站,更能够长期占据这类实验研究领域的制高点。

      还在试运行的LHAASO已经产出了世界级的原创成果:2021年5月,国际学术期刊《自然》刊登了LHAASO国际合作组的最新成果——首次在银河系内发现大量超高能宇宙线加速器,为寻找超高能宇宙线的来源划定了目标。同时,LHAASO记录到能量达1.4拍(拍=千万亿)电子伏的伽马光子。这是人类观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,开启了“超高能伽马天文学”的时代。

      除了这些天体物理的发现,LHAASO在其他领域也能大显身手。“比如我们与气象学家合作,探索雷电和宇宙线的关系。再比如,宇宙线在到达地球的时候会受到太阳抛射的影响,我们也可以尝试利用宇宙线数据进行空间天气预报。还有,LHAASO建在青藏高原上,还要开展气溶胶测量,结合这一特殊的地理位置,我们联合气象研究单位,为生态和环境研究开辟了一个新的场所。”曹臻透露。

      LHAASO是我国第三代高山宇宙线实验站,从学生到首席科学家,曹臻亲身经历了中国科学家在这一领域从跟随、并跑到主导的过程。曹臻说:“近些年国家越来越重视基础研究,我们有信心在这一领域保持国际领先优势。在LHAASO规划时,我们就已经留出了升级改造的空间,而我们也在探索新一代宇宙线探测设备——现在我们要捕捉的是光子,未来要捕捉中微子,最终圆满地解决宇宙线起源这个世纪谜题。”

      《光明日报》( 2021年12月23日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器11】量子计算机“九章”

      【晒晒咱的国之重器11】

      光明日报记者 常河

      2020年12月4日,中国科学技术大学宣布该校潘建伟院士团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。同日,国际学术期刊《科学》发表了该成果,这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”,审稿人如此评价。

      有多重大?答案是:这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

      所谓“量子优越性”,即对于特定任务,量子计算机可以解决,而现存的任何经典计算机运用任何已知算法,都不能在一个可接受的时间内完成。

      有多“优越”?“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比超级计算机“富岳”快100万亿倍,也就是说,当求解5000万个样本的高斯玻色取样时,“九章”需200秒,而截至2020年,世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。同时,“九章”克服了谷歌超导量子比特计算机“悬铃木”的一个漏洞。

      “在费曼提出量子计算的概念近40年后,‘九章’在实验上严格地证明了量子计算的加速能力,把梦想变成了现实。”潘建伟团队成员、中国科学技术大学教授陆朝阳说,和原子、离子、超导电路等类型的量子计算机相比,光量子计算可在室温下、空气中运行,能克服量子噪声极限,结构亦相对比较简单。“‘九章’使得我国第一次进入国际量子计算第一方阵。”

      “九章”啥样?在安徽合肥微尺度物质科学国家研究中心,两个通过光纤连接起来的长3米宽1.5米的不起眼“盒子”和“盒子”里密布的光学元器件,就是“九章”。“一个用来产生光源,另一个进行干涉,把光信号变成电信号后引到隔壁的探测器进行分析。”陆朝阳的学生、“九章”论文第一作者、95后博士生钟翰森介绍。

      值得一提的是,研制出“九章”的团队,除了潘建伟、陆朝阳几位导师外,主力都是像钟翰森这样的年轻人!

      更值得骄傲的是,“九章”构建后不到一年,2021年10月,“九章”的升级版“九章二号”成功构建,再次刷新国际光量子操纵的技术水平,其处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快亿亿亿倍。

      加上2021年10月中国科大发布的超导量子计算机“祖冲之二号”,这一系列令人瞩目的成果,标志着我国已成为世界上唯一一个在超导和光量子两个“赛道”上达到“量子优越性”里程碑的国家。

      “证明‘量子优越性’,可以说是量子计算机研制征程上的一个里程碑。‘九章二号’和‘祖冲之二号’的诞生,像一对双子星,照亮了量子应用更广阔的前程。”潘建伟说。

      《光明日报》( 2021年12月18日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器10】基因编辑的精准“剪刀”

      【晒晒咱的国之重器10】 

      光明日报记者 齐芳

      在中国科学院干细胞与再生医学创新研究院一楼科普平台里,展示着几项最新研究成果。在干细胞药物、再生医学、解密衰老等项目中,几个小试剂盒显得有些单薄,却有重要的价值和意义。“这是一种能够快速检测新冠病毒的试剂盒,与传统的检测方法相比,它不需依赖复杂的仪器设备,更便捷、更简单、更快速。大家都做过核酸检测,专门的采样人员给被检测者采集拭子,然后由专业检测人员使用专用设备进行检测。”科普平台负责人李天达副研究员说,“这种新试剂盒不需要依赖专用检测设备,能够大大提高检测速度。这种试剂未来有望做成验孕棒样的检测试纸,实现家用及时检测。”

      这种试剂是在新型基因编辑工具“CRISPR-Cas12b”基础上研发成功的。CRISPR-Cas12b是该院李伟研究员领导的科研团队自主研发的,是我国拥有CRISPR系统发明专利的基因编辑工具。

      基因编辑技术是生命科学的底层技术,它仿佛一把有魔力的“剪刀”,不仅能“剪切”基因,还能用于“修补”基因。它的发现,推进了人类对生命的认知,也极大地改变了生命科学的研究形态和生命科技产业的发展。

      2020年诺贝尔化学奖授予了发现基因编辑技术的两位科学家,发达国家在竞相布局基因编辑技术的相关专利和产业。“基因编辑技术在生命科学和技术领域显示出强大的生命力,在新药物的研发、遗传疾病的治疗等方面具有非常吸引人的应用前景。”李伟解释,“产业发展与核心专利技术紧密相关,如果一个国家没有自己自主知识产权的基因编辑技术,相关产业的发展就会受到钳制。”

      我们可以继续延用“剪刀”来解释为什么需要自己的基因编辑技术——每个家庭都不止有一把剪刀,在家庭工具箱里,有针对各种不同情况的剪刀,也需要更换更好用的剪刀。“各国科学家都在积极研发自己的‘基因剪刀’,并不断更新换代,美国已经给CRISPR-Cas9授予了专利。”李伟介绍,“与其他基因编辑工具相比,CRISPR-Cas12b更精准,也更容易在生命体中递送基因治疗药物。同时,它具有更宽广的活性温度和酸碱范围,这意味着CRISPR-Cas12b更加稳定、易于储存,也更适合体外检测——正是基于这一优势,我们开发出了那款检测新冠病毒的新试剂。”

      如今,这项新技术正用于多项生命科学的基础研究和多款基因药物的研发,而李伟也在带领团队努力开发更多的基因“剪刀”。“生命科学基础研究进展与应用的距离非常近,很多情况下,我们既要进行基础研究,也要深入产业开发。”李伟每天的工作排得满满的——结束采访,他马上就要开研究组会,他说,“生命科学的进展与生命息息相关,面向人民生命健康,科技工作者责无旁贷。”

      《光明日报》( 2021年12月12日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器9】探求未来理想的清洁能源:东方超环

      【晒晒咱的国之重器9】 

      光明日报记者 常河

      面对即将来临的能源危机,我们拥有一个共同的梦想,那就是寻求一种无限而清洁的能源,从而实现人类的永续发展。如果说“夸父追日”是古人战胜自然的美好愿望,那么东方超环则代表了今人把梦想变为现实的努力。

      在安徽省合肥市西郊科学岛,有一个形似锅炉的庞然大物,它高11米、直径8米、重400吨,由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。这些部件我们虽然不太懂,但组成的庞然大物可不简单,它是一个享有国际声誉的巨大科学装置,即由我国自行设计、研制的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)。它的建成,标志着在稳态运行的物理和工程方面,我国开始引领磁约束聚变研究的国际前沿,成为首个掌握新一代先进全超导托卡马克技术的国家。

      2021年5月28日凌晨,东方超环所在的控制大厅里传来捷报:正在开展的第16轮物理实验,实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行,创造了东方超环运行的新世界纪录!

      是不是感觉过于专业听不懂?没关系,先听听专家怎么说……

      “这是东方超环的第98958次放电,取得了上亿摄氏度百秒量级的成果,标志着我国在稳态磁约束领域的研究处于国际领先水平——更重要的是,这一系列创新研究成果和技术积累,为我国建造自己的东方超环提供了坚实的科学和工程基础。”捷报传来那一刻,中国科学院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛激动极了。

      在第98958次放电的背后,是中国人孜孜以求的聚变能源梦。

      时光回溯到15年前:2006年9月,我国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、建造的新一代热核聚变装置——东方超环,首次成功完成放电实验,获得电流为200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电,一举成为世界上首个也是唯一建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

      目前,东方超环已经成为国际上相关研究的重要实验平台,其成果将为未来国际热核聚变实验堆(ITER)实现稳态高约束放电提供科学和工程上的支持。

      为什么全世界相关领域的研究人员都对东方超环这个庞然大物如此感兴趣?“核聚变能具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等突出优点,是人类未来理想的清洁能源之一,可为实现碳中和作出重要贡献。”宋云涛坦言,中国磁约束核聚变研究科研工作者的梦想就是在有生之年,让世界第一个核聚变反应堆率先在中国发电,因此“第一盏由被核聚变能点亮的灯泡一定要在中国”。

      《光明日报》( 2021年12月06日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器8】中国空间站:“太空,我们来了!”

      晒晒咱的国之重器8】

      光明日报记者张蕾

      10年前,有人在网上发帖问:“国际空间站何时轮到中国人上去?”下面一条回复霸气十足:“中国人要上就上自己的空间站!”

      如今,这个梦想实现了。2021年4月29日,随着“天和”核心舱发射,中国空间站正式进入组建阶段。按照计划,2021年至2022年,我国会通过11次航天发射完成空间站建设,包括4次货运飞船、4次载人飞船发射,以及“问天”和“梦天”两个实验舱发射。

      中国空间站的基本构型为“天和”核心舱、“问天”和“梦天”两个实验舱,每个舱段规模20吨级,整体呈T字构型……说到这儿,也许你会产生疑问:科幻电影里的宇宙飞船看起来奇形怪状,为啥中国空间站要设计成T字构型呢?“我国的空间站采用运载火箭发射各舱段入轨、上天后交会对接的建设方式,整体构型仍然要在‘以节点舱为球心的辐射状’构型上做文章。因此,我们没有走苏联‘和平号’空间站的老路,而是设计成独特的T字构型。”中国载人航天工程空间站系统总指挥王翔这样解释。

      与国际空间站相比,中国空间站虽然起步晚,但起点高,具有中国特色。在中国航天科技集团五院空间站系统主任设计师张昊眼中,中国空间站够用、好用而且安全,载荷支持效率高,可提供多种标准接口,有望取得可观的工程应用效益。“尤其是配备了大小两根机械臂,均有7个自由度,可独立和组合使用,最大作业半径达15米,具有负载25吨的抓取能力和厘米级的高精度操作能力,在航天员的协同下可完成舱外载荷的安装、更换等复杂操作,还能把航天员送到想去的地方,完全达到世界第三代空间机械臂的水平。”

      当然,中国空间站的亮点远不止于此。就拿循环利用来说,为了减少天地往返运输成本,核心舱采用物化再生式生命保障系统,航天员出汗和呼吸产生的水蒸气可以冷凝水的方式回收,排泄的尿液也会回收净化,重新作为生活用水使用……

      在太空开展科学实验是中国空间站的主要使命。据悉,神舟十三号任务将进行航天医学、微重力物理等科学技术试验与应用,有望获得大量科研数据,产出高水平的科学成果;此外,航天员还会给青少年带来精彩的天地授课内容,成为鼓励学子们热爱航天、参与探索、追求科学的实践平台。

      后续,我国将择机发射大口径、大视场的空间天文望远镜“巡天”——其视场角是美国哈勃空间望远镜的300倍,如果在轨运行10年,可以对40%以上的天区进行观测。很多国际科学家对此非常感兴趣,而我国也一直在努力推进“巡天”的开放使用。

      值得一提的是,中国空间站的建成还将为开展包括航天员联合飞行在内的更广泛国际合作提供精彩舞台。目前,已经有不少国家和地区提出了这方面意愿。“相信在中国空间站完成建造、进入运营与应用阶段后,大家会看到其他国家的航天员参与中国空间站的飞行和科研任务。”中国载人航天工程办公室副主任林西强表示。

      显然,中国空间站的时代已经来临……

      《光明日报》( 2021年12月02日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器7】极低温区基准级测温装置

      【晒晒咱的国之重器7】

      光明日报记者 齐芳

      什么是极低温?

      通常指-248.5939℃以下。

      极低温有什么用?

      深空探测、可控核聚变装置等50%以上的大科学装置的核心部件都需要在稳定的极低温环境中运行。

      如何测量极低温?

      靠一种标准温度计来测量,而这种温度计国内还不到10支——它们已经“服役”近半个世纪了。是的,你没看错,只有不到10支。

      而更严重的是,长期以来,我国在极低温区只有标准,基准建设并不完整。基准,是全球治理体系和经贸合作发展的重要技术基础;温度基准,是现代工业和科学研究最底层的地基之一,能否测定温度基准是国家科技水平和综合国力的象征之一。在极低温区没有基准,就意味着我们无法判断这些标准温度计在这一温区是否准确,要送到有能力测定基准温度的国家进行校准。

      对我们这样一个大国来说,主动权掌握在别人手中,是一件危险的事。

      如今,这种情况得到了改变。中国科学院理化技术研究所正高级工程师高波带领的国际研究团队,原创性地提出了“定压气体折射率基准测温原理”,并在2020年建成了极低温区基准级测温装置。高波的眼睛里闪烁着光彩:“在-268.15℃~-248.65℃温区,我国建成的首套基准级测温装置,准确度和测量速度均为世界第一。”

      现代工业和科学技术体系之所以可以成为“世界语言”,一个很重要的原因是计量标准的统一。在人类社会发展相当长的时期内,计量单位多是基于看得见、摸得着的实物来定义。高波说:“实物再如何精心保存,时间长了也会出现变化,细微的元素差异,都会给准确度带来差别。随着科技的发展,大家对计量的精确度要求越来越高,这种用实物定义单位的方法在长期稳定性和全球通用性方面的缺陷就逐渐凸显。”

      于是,科学家们将目光投向了稳定的自然常数——从2019年5月20日起,国际单位制发生变革,基本单位改由自然常数定义。“温度也是如此。”高波解释,“谁能更快、更准地基于自然常数建立基准级测温装置,谁在未来就拥有更多的话语权。”

      这是一次难得的历史机遇。

      极低温区基准级测温装置不仅填补了我国在温度计量领域的空白,实现了这一温区量值溯源的自主可控,更实现了“零”的突破——我国科研人员首次参与到极低温区国际温标赋值的工作中,目前,这种中国原创的方法已被国际温度咨询委员会收录,获得了国际官方认可;这套装置,也成了极低温区测温装置的世界级“标杆”。 换句话说,我们可以将它测得的温度称为“中国温度”。

      掌握温度溯源的头部技术,不仅对我国科技发展、工业发展具有重大意义,“中国温度”的作用也将在国际范围的科研项目和工业领域逐步显现。

      几年来,高波几乎全年无休地高强度工作。“我们的目标是‘继续向下’。当然,越接近绝对零度,工作越难。”高波略显单薄的身体中,似乎蕴藏着巨大的能量:“但我有信心!我们处在创新的时代,我们能做出更好的工作!”

      《光明日报》( 2021年11月29日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器6】超级显微镜:中国散裂中子源

      晒晒咱的国之重器6】 

      光明日报记者 杨舒

      如果将组成物质的原子比作一张大网,我们对这张网一下子抛出许多“弹珠”,有的“弹珠”会穿过大网,有的则会和网中的点、线发生碰撞,飞向不同方向。

      聪明的科学家们记录下所有“弹珠”的轨迹,通过计算,就能倒推出网的结构,看清这些原子组成的分子。这个能发射中子“弹珠”的“超级显微镜”,就叫散裂中子源。

      2018年8月,由国家发改委立项支持、中国科学院与广东省共同建设的中国散裂中子源正式“开门迎客”。继英、美、日之后,中国成为世界上第四个拥有这一大科学“神器”的国家。咱们的科学家再也无须舟车劳顿、争分夺秒,跑到国外排队申请做实验了。

      中学物理课本上讲过,所有物质都由分子和原子组成,而原子内部有原子核,核中又包含了中子。中子这个小东西不带电,穿透力也强,如果将一束足够多的中子射向一种材料,就能在不伤害其实体的前提下,“探测”到材料的微观结构和内部运动规律,可谓最强科研透视眼。

      正因如此,大量制造中子的“工厂”——散裂中子源应运而生。别看中子小到难以想象,散裂中子源却是个由各种高、精、尖设备组成的庞然大物,考验的是综合国力。

      要知道,它深藏在东莞大朗镇13米到18米的地下,历时6年半建成的一期工程,占地足有40个足球场大,光安装加速器的隧道就有600多米长。

      这么大投入,值得吗?

      当然值得!中国散裂中子源工程总指挥陈和生院士介绍,作为科学家梦寐以求的研究平台,散裂中子源担当的是粤港澳大湾区综合性国家科学中心的核心装置重托,用途广着呢。材料学、新能源、医疗制药、关键电子器件的突破全都用得着它——

      给航空发动机和高铁轮轨的部件做“体检”,检测它们的安全性;模拟深海环境,摸清可燃冰在压力释放过程中的内部变化,帮忙找到合适的开采条件;观察离子电池充放电几百次后的变化,以研发出容量更大、充电更快、更安全的电池……

      开放3年来,这个“大家伙”已服务中外科学家团队完成课题超过600项。2020年,依托这里,香港大学研发的超级钢惊艳世界,我国首台自主研发的加速器硼中子俘获治疗实验装置也“孵化”成功,将为癌症治疗带来技术性革新。

      就在上个月,又一个捕捉中子轨迹的利器——多物理谱仪在这里向全球开放。

      中国散裂中子源将给世界更多惊喜。

      《光明日报》( 2021年11月25日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器5】探秘地球“第四极”:全海深载人潜水器“奋斗者”号

      【晒晒咱的国之重器5】

      光明日报记者 袁于飞

      2021年10月21日,国家“十三五”科技创新成就展在北京展览馆开门迎客。很多人看到,展馆正门外左侧有三个引人注目的“大家伙”:“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号,正是它们仨,见证了中国的深潜科技实力从跟跑,到并跑,再到如今领跑世界的时代跨越!

      领跑世界的跨越发生在2020年11月10日。那一天,北京时间凌晨4点50分左右,在位于太平洋马里亚纳海沟区域的海面上,中国第一艘万米级载人潜水器“奋斗者”号,被从母船吊入深蓝色的大海,开始冲击万米海深。

      马里亚纳海沟,被称为地球“第四极”,有史以来,只有三次人类“探底”的纪录。1962年,美国曾有两人乘坐“的里亚斯特”号潜水器下潜此地;2012年,拍摄过《泰坦尼克号》的导演卡梅隆驾单人潜艇“深海挑战者”号,探底深渊。2019年,美国探险家维斯科沃等两人乘“深潜限制因子”号也曾到达海沟深处。不过,他们多是探险型的,一人或两人下潜,短暂停留便需紧急上浮。

      而“奋斗者”号是工作型、科考型的,可以搭载三人潜入万米海底,能够自主巡航,进行生物矿物和地理物理等科学考察,空间大、时间长、乘员多,难度远超类似深潜器。

      那一天,“奋斗者”号如蛟龙入海,一路下潜:1000m、3000m、5000m、7000m……显示深度的大屏幕上,“当前深度”一长再长。

      一万米!“哗——”聚集在大屏幕前的海试队员们,爆发出热烈的掌声。

      随后,深度数字继续跳动:10001、10003、10100,直到10909,“奋斗者”号成功抵达海底,再次创造中国载人深潜纪录。

      “我们现在三个人的状态良好,正在开展机械手功能测试,这里的景象妙不可言……”这是来自“奋斗者”号三位深潜员的回话,这是来自万米深渊的中国人的声音!

      这的确是一次载入史册的中国海试。不仅“奋斗者”号深潜成功,而且在全球首次实现了万米洋底4K电视信号直播。美国、法国、日本、俄罗斯等都没做到的,我们中国人做到了!

      海洋深处充满着神秘色彩,人类目前对深海的研究和认知,比对月球和火星的了解还要少。根据国际规则,海洋1000米深度以下叫深海,6000米深度以下叫深渊。在海洋里每下潜10米,便会增加1个大气压;如果深入海底10000米,那就是1000个大气压,相当于在指甲盖大小的地方,压上一部重型卡车。

      也正因此,探秘深海和深渊,是一项难度极高的科考活动,涉及设计、材料、密封、工艺、通信、安全、集成、试验等一系列技术,每一项都是极限技术,并且必须高度安全可靠。

      逐梦深蓝,一直是中国科研人员的梦想。2016年,科技部启动“全海深载人潜水器”总体设计、集成与海试项目,中国科研人员准备向大洋深处进发。

      这是一次勇敢的进发,更是一次震天动地的抵达。人们忘不了成功的那一刻,科学家们眼中的热泪。“奋斗者”号总设计师、海试总指挥叶聪感慨万千:“我觉得不能用这五年来讲中国深潜的故事,应该用二十年甚至更长一些。我国从没有深海装备到有深海装备,从无人到有人,从简单到复杂作业,这是老一辈科学家用肩膀托起来的。我们要牢记传统又要开拓创新,所以‘奋斗者’号到达之处远远不是终点,应该说,我们刚刚打开了海洋的一道门缝……”

      《光明日报》( 2021年11月18日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器4】“固若金汤”的核电站:全球首座高温气冷堆核电站示范工程

      【晒晒咱的国之重器4】

      光明日报记者 詹媛

      如果地球上能源不足了,还有其他发电方案,来支撑人类的海量用电需求吗?

      这个问题,科学家早已想过——清洁、高效的核能,便是解决方案之一。

      但是,苏联切尔诺贝利核灾难、日本福岛核泄漏等核事故,让人难免谈“核”色变。

      有没有更安全的核电站?

      有!我国国家科技重大专项——高温气冷堆核电站示范工程。位于山东,石岛湾。

      它最大的特征就是固有安全。这是1956年美国科学家泰勒提出的理念:要使公众接受核能,反应堆安全必须是“固有的”,也就是说在严重事故条件下,不用人为和机器干预,核电站的核心——反应堆堆芯不会熔毁,放射性物质不会大量外泄,进而不会发生严重的核事故。

      这个构想在中国变成了现实。

      2021年9月12日,高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆成功实现首次临界。这就相当于发动机点火,是反应堆带核功率运行的起点。预计在2021年年底,它将首次并网发电。

      等它开始发电,有多少家庭能用上呢?每年发电量14亿度,可以为200万居民提供生活用电。不仅如此,预计它每年还可减少二氧化碳排放量90万吨。为生态中国贡献“绿色力量”,它同样很给力!

      这样“固若金汤”的核电站,其他国家有吗?答案是,全球仅此一座。

      “中国是世界上首个实际建成这类核电站的国家。”它的总设计师——清华大学核能与新能源技术研究院院长张作义说,它在全球先进核能技术研发竞争中“杀出重围”。

      高温气冷堆核电站示范工程还有一个最令中国人自豪的特点——关键核心技术完全属于中国。由清华大学与中核集团、华能集团建成的这座核电站,国产化率高达93.4%,形成的约5万张图纸、10万页文件,15000多件技术含量高、安全设计要求也高的核岛设备等,我国都具有完全自主知识产权。

      今天,这个超级工程矗立在石岛湾。但谁能想到,60余年前,科研条件艰苦,生活设施落后,清华大学核研院原副总工程师薛大知回忆,当时建实验设施,科研人员不但要研究设计,还要自己施工,搞水泥灌浆,“有时几天几夜不能好好睡觉,脚泡在水泥浆里。工地临时固定支撑的模板上还有钉子,弄不好就会被扎到”。

      经过60多年的发展,中国建成了全球第一座“固有安全”的核电站,并且形成完整的产业体系。

      就在11月11日,这一世界首座高温气冷堆核电站示范工程再传喜讯:2号反应堆首次临界,这标志着示范工程顺利完成双堆临界。

      如今,中国毫无疑问是全球高温气冷堆的领跑者,在未来很长一段时间,还将继续引领世界。

      《光明日报》( 2021年11月15日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器3】带着月球“土特产”回家:嫦娥五号

      晒晒咱的国之重器3】 

      光明日报记者 张蕾

      2020年11月24日,万千国人仰望夜空,看她拖着长长的尾焰越飞越高,在欢呼声中划过天际;23天后的12月17日凌晨,万众企盼中,她如流星般璀璨,点亮夜空,缓缓降落,稳稳地投入“家”的怀抱。

      嫦娥五号回来啦!

      作为嫦娥家族的“五妹”,嫦娥五号成为首个能“回家”的探测器——而且,她不仅平安回来,还带回2千克珍贵的月球“土特产”。它们是嫦娥五号在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区获得的样品,那里存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,具有重要的科研价值。

      这是一次意义非凡的太空之旅——此前,还从未有人类探测器造访过那里,这也让中国成为继美国和苏联之后,第三个从月球取回样本的国家。

      月球不发光,是人类的梦想“照亮”了它。

      2004年中国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”。从“大姐”嫦娥一号到“五妹”嫦娥五号,从“绕”到“落”再到“回”,中国的探月之旅走了16年。而此次“回”的完成,并没有为故事画上句号——未来,一系列航天任务,包括对火星、小行星的采样返回以及载人登月,都将用上源自嫦娥五号这次任务的技术。

      从更长远的视角来看,我国的月球探测分为“探、登、驻”三步走,即无人探测、载人登月、短期驻扎(建立月球基地)。“绕、落、回”三小步中最后一步的完成,标志着“探、登、驻”三大步的第一阶段完美收官。

      作为富饶的“矿场”和理想的“太空补给站”,月球近年来成为深空探测的热土。根据各国发布的计划,2030年前,不少国家都希望将航天员送上月球,并谋划建设永久科研基地。“月球是全人类的,但谁开发谁利用。我们今天不去,以后可能想去都难。”嫦娥系列月球探测器研制团队的主心骨、中国航天科技集团五院技术顾问叶培建院士的声音坚定有力。

      600年前,我们曾错过走向海洋;今天,我们不会再错过太空了。后续,我国将陆续实施嫦娥六号、七号、八号等任务,同时还将规划建设国际月球科研站。所以,“嫦娥姐妹”会飞得更高、更远——因为,我们的目标是璀璨星空!

      《光明日报》( 2021年11月10日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器2】星际探测的火种:首辆火星车祝融号

      【晒晒咱的国之重器2】 

      光明日报记者 崔兴毅

      火星迎来了中国访客!

      2021年5月22日,第一辆从中国始发的火星车祝融号安全到达火星表面,开始巡视探测。

      星际探测从来不是一件容易的事情。从1960年苏联第一个发射火星探测器至今,人类已向火星发射了数十个无人探测器,但成功着陆者寥寥。

      是因为火箭运输跟不上吗?不是!是因为火星表面的环境太恶劣:大气稀薄,昼夜温差极大,白天温度可达27℃以上,夜间温度能到零下133℃,不可预估的沙尘天气更是成了阻碍火星车生存及完成巡视探测的主要困难。苏联“火星3号”着陆后毁于火星的沙尘暴;美国“机遇号”因为太阳能电池被沙尘覆盖而严重受损。

      现在,祝融号的一项重要任务,就是研究火星天气。科学家们因此将巡视器的着陆区选在火星北部的乌托邦平原,这里,沙尘暴频发!

      奔着沙尘暴去?这能行吗?

      “咱技术硬,不怕!”我国首辆火星车总体主任设计师陈百超说,祝融号使用四片蝴蝶状砷化镓构成的太阳能面板,面板表面有一层特殊的防尘涂层,可以提高抗灰尘能力。如果灰尘积累到一定程度,还可以通过太阳能翅膀的轻微振动抖落灰尘。

      除了沙尘暴,火星表面也不是一片坦途。

      遍布的尖锐砂石会轻易破坏火星车的动力系统。美国“勇气号”陷入沙坑,导致轮子出现故障,无法转动,一直被困到任务结束。

      怎么办?“它的机身被设计成了可升降的主动悬架结构,能够自由转向,六个轮子均独立驱动。”陈百超说,在极端地形中,祝融号还能重新设计轮子驱动方案,实现“蠕动”“蟹行”和“踮脚”等复杂操作,就像一辆六驱越野车。

      祝融号火星车设计寿命是90个火星日。截至8月15日,它已完成既定探测任务,共获取约10GB原始科学数据。

      这里面都有啥?

      自带的多光谱相机,拍摄了一幅幅地形、地貌和地质照片,并定期传送回地球。6月1日的自拍,记录了祝融号后退移动和原地转弯的过程,这是人类历史上第一次拍摄到火星车在火星表面的移动影像!

      而且,你知道吗?火星没有覆盖全球的稳定磁场,但表面却存在支离破碎的偶极磁场,暗含着火星历史演化的痕迹。这时,祝融号上搭载的气象测量仪、表面成分探测仪、雷达和磁场探测仪等科学仪器就发挥作用了。

      目前,“超期服役”的祝融号状态良好,仍在向乌托邦平原以南的古海陆交界地带行驶,实施拓展任务。正如它的名字“祝融”,以中国星际探测的火种,指引航天人不断超越自我,逐梦星辰。

      《光明日报》( 2021年11月08日 01版)

  • 【晒晒咱的国之重器1】钢铁穿山甲:国产最大直径盾构机“京华号”

      【晒晒咱的国之重器1】

    开栏的话

      上可在九天星河修建“天宫”,下可在万米深海潜行探宝,中国站、中国船、中国车、中国星……过去的五年,你的朋友圈是不是常常被这一个又一个科技自立自强的好消息刷屏?

      习近平总书记说,关键核心技术是国之重器。这一个个重大科技创新成果,犹如一串串音符,奏出中国加速迈向世界科技强国的激昂交响。

      对这些国之重器,你是否了然于胸?那每一个让人心潮澎湃的瞬间,你还印象深刻吗?你又是否想知道,科技创新,正在怎样改变我们的生活?从今天起,光明日报推出《晒晒咱的国之重器》专栏,好好说说这些让咱国人扬眉吐气的“大家伙”,让你真真切切地感受一下,国之重器,为什么强,为什么“重”。敬请关注。

      光明日报记者 杨舒

      挖一条隧道,有多难?

      “钢钎加大锤、打眼又放炮”,在40年前的中国,那可是成百上千人力接续、花费数年的巨大工程。然而,有了盾构机,只消一天,就能凿穿一座小山。

      今年7月,北京东六环改造工程地下现场,我国迄今研制的最大直径盾构机“京华号”开始“开疆拓土”。“腰围”直径超过5层楼、身长相当于7节地铁车厢、体重高达4300吨,这个由10万个精密部件组成的“大块头”,号称“工程机械之王”。它犹如一条钢铁穿山甲,能在山间、水底和城市地下钻出一条条隧道,既高效,又安全。

      盾构机怎么干活?

      说起来,它的工作原理类似于穿山甲挖洞。盾构机顶端,巨型刀盘上的刀具,单体最轻的,都有200斤,相当于穿山甲锋利的前爪,挖土碎石不在话下;刀盘后粗壮的盾相当于穿山甲的躯干,用来支撑挖好的洞,以免塌方;后方的出土系统相当于穿山甲的后爪,用来把挖出的砂土泥浆送出洞外;最后端的管片则相当于穿山甲闭合的鳞片,用来加固洞穴。开挖、排土、出渣、支护、衬砌、封固,一气呵成,隧道主体结构一次成型。

      但,谁能想到,西方已应用百年的这个“地下神器”,咱中国人却长期看不到、摸不着。直到20世纪90年代末,为开凿西康铁路秦岭隧道,我国才头一次从欧洲买回了两台,这一下子竟花费了6亿多元。

      “盾构机受制于人,严重影响我国基建效率。”中铁工程装备集团有限公司设计研究总院党委书记李光这样回忆,“盾构机,咱们自己造!”

      2002年列入国家重点项目,一穷二白、摸爬滚打,仅仅6年,首台具有中国自主知识产权的复合式土压平衡盾构机横空出世。突破核心技术封锁,此后10多年间,中国这个后来者,持续刷新着世界盾构领域的纪录。

      2020年9月27日,“京华号”在长沙下线,一跃成为世界第三大开挖直径盾构机,标志着我国超大直径盾构成套技术跻身世界前列。

      更让人意想不到的是,2012年,中国第一台盾构机走出国门。法国、意大利……目前,仅中铁工程装备集团有限公司的盾构机产品就已覆盖全球25个国家和地区,产销量连续4年第一。

      从无到有,从买到卖,中国盾构机实现了历史的转身。

      《光明日报》( 2021年11月01日 01版)