研究人員搭建外星海洋，測試美國宇航局外太空潛艇

【概要】當溫度下降到華氏-300度，海洋由甲烷和乙烷組成，在這種環境下建造潛水艇會變得極為棘手。研究人員正嘗試如何使一艘潛艇在泰坦海上工作，包括土星的最大衛星和太陽系中的第二大衛星。太空署計劃在未來20年內將一艘真正的潛艇發射到泰坦海。

【圖注】陽光照射在泰坦北部海域，這是來自美國航天局Cassini 號太空梭的近紅外彩色馬賽克圖像。

工程師們擅長在地球上設計潛水艇，但是當溫度降至-300華氏度，海洋由甲烷和乙烷製成時，潛艇的製造會變得更加棘手。華盛頓州立大學的研究人員正在與美國宇航局合作，嘗試製造一艘能在土星的最大衛星和太陽系中第二大衛星上工作的潛艇，太空署計劃在未來20年內將一艘真正的潛艇發射到泰坦海。研究人員在實驗室重新創建了一個泰坦海洋，並在「流體相平衡」期刊上發表了一篇論文。

研究者們對泰坦海特別感興趣，因為它與地球有著相似的特點，它擁有流動的液體。但其又與太陽系中的其他任何地方都不同，月球的表面雖包括海洋，河流和雲，而且像地球上一樣，它可以下雨，但月球上的水循環並非以水為基礎，而是以甲烷為基礎。

參考在地球上製造潛艇的經驗，美國宇航局一直在研究土星及其衛星運行十年間從Cassini 飛船所收集到的數據。該機構正在設計自動運行潛艇，這需要研究泰坦的大氣和海洋條件，使潛艇能在海床周圍移動，並在地表或以下盤旋。該工程更為棘手的地方在於，由於其與地球海洋中的均質水不同，泰坦海洋中乙烷和甲烷的濃度可能發生顯著變化，並會改變液體密度等特性。

NASA的邀請

機械和材料工程學院的前研究生Ian Richardson試圖解決在極端條件下建造潛艇所存在的問題。在華盛頓州的低溫實驗室里，他們研究了材料在極低溫下的性質，Ian Richardson重新創造了泰坦的氣氛，並測試了一台小型加熱機器在這種條件下的工作方式。

Richardson擁有華盛頓州立大學機械工程學士學位，長期以來一直對空間和空間探索技術感興趣。他曾是華盛頓州立大學有史以來第一位獲得美國宇航局空間技術研究獎學金的學生，期間還在俄亥俄州Cleveland的美國宇航局Glenn研究中心實習。在一個獨立的問題上進行研究時，NASA的一位科學家對泰坦提出了設計潛艇的問題。Richardson說：「我的研究剛剛出現一個突破，我就會接著跟進。這是一個瘋狂的實驗，我從來沒有想過我會有這個機會，進行一個非常有趣和具有挑戰性的實驗設計。」

模擬泰坦海

WSU研究小組建立了一個測試室，將液體混合物置於極低溫度下模擬泰坦的海洋。他們增加了一個兩英寸的圓柱形筒式加熱器，可模擬潛艇所產生的熱量。研究人員面臨的最大挑戰之一是探究泰坦海域的氣泡，由發熱機器供電的潛艇進入非常冷的泰坦液體中，會形成氮氣泡。太多的氣泡會使船舶的操縱，查看，採集數據和管理壓載系統變得極為困難。

在華氏-300度下拍攝視頻

Richardson說，下一個挑戰是在極為困難的條件下播放視頻，他們的研究是在每平方英寸60磅的壓力和接近華氏-300度的溫度下進行的。Richardson的小組利用一種內窺鏡和攝像機的光學設備設計了一種解決方案，該設備能夠承受低溫和高壓，以便觀測測試室內的情況。

「那裡並非最友好的條件，」他說，「你必須想出創造性的解決方案。」研究人員成功地拍攝了乙烷-甲烷雨雪的錄像。該小組還研究了甲烷和乙烷湖的凍結溫度，並確定下來，由於液體中含有少量的氮，湖泊會在比預期更低的溫度下結冰：開氏溫度75開爾文，或華氏-324度，而並非90.5開爾文。Richardson說：「這很神奇，意味著你不必擔心該過程中會出現冰山。」研究人員正在繼續與NASA合作並對泰坦潛艇的設計進行更新。

本文由材料人編輯部李妹編輯，點我加入材料人編輯部。

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