北京时间2017年2月15日11点58分 ，在印度南部的萨迪什•达万航天中心，搭载104星的极轨卫星运载火箭成功发射，这是人类进入太空时代以来单次发射卫星数量最多的一次。在这次发射中，一颗中国和以色列合作的微小卫星，分外引人瞩目，这就是被命名为“陈家镛一号星”的微重力化工实验卫星，也是中国航天史上第一次尝试的微重力化学工程应用研究。
国际上发射过得各种目的的实验卫星很多，单是去年中国就发射多个航天器，包括天宫二号、实践十号、墨子号、悟空号等。到2020年中国将建成的空间站，大都是为了去做一些在地面无法做成的顶尖前沿的科学实验，这里头居然还没有过化学实验？
事实确实如此：在此之前，中国从来没有在太空上做过化工领域的科学实验，国际上做过此类实验的也屈指可数。
为什么要这么歧视我们化工实验？其实想想也很容易明白，化工实验往往可能存在腐蚀、爆炸、有毒等风险，以安全性为首要要求的大卫星、飞船或者空间站，当然不能轻易让这样的实验上太空。想想之前地面研究想要去太空做实验，需要向国家申请，得到许可、得到经费、排队数年，这种高风险的实验，当然会被排除在外了。
那么，这次上天做化工实验，为什么可以实现呢？这就是因为这次采用的是商用小卫星。中国民营资本 “入局”商用航天产业，使得国内涌现了一批商业航天公司，他们可以利用微小卫星为科学实验提供上天服务。而这颗卫星正是由中国商业航天公司天仪研究院，中国科学院过程所，中国科学院力学所，以色列商业航天公司SpacePharma合作研究研制的，相对于传统的大卫星来说，商业化的卫星价格低廉，上天周期短。微小卫星也可以把一个实验的风险隔离在一个独立的卫星上，由此才可以在天上去做化工实验。
3U立方星，陈家镛一号。供图：杨超。
那么这次上天的这颗实验卫星是要去做什么实验呢？在了解它的目的之前，你先知道一下这颗卫星的名字——“陈家镛一号星”。陈家镛院士是中国湿法冶金开拓者，他首次提出将化学工程的方法应用到冶金工业中，你将他理解为化工界的钱学森就对了。这颗卫星上天的目的是做微重力环境下液滴的聚并与分散实验。
陈家镛一号星纪念徽章。供图：杨超。
为什么要研究液滴的聚并与分散？
当我们在享用一杯葡萄酒的时候，酒中的气泡常常会给我们带来美妙的体验。而红酒爱好者们则常以“葡萄酒的眼泪”来判断红酒的好坏，轻轻地摇晃酒杯，让酒液在杯壁上均匀地旋转，当停止摇杯后，酒液便会形成一条条液柱沿着杯壁缓缓地向下流动，并在杯壁上留下一道道酒痕，这就是“葡萄酒的眼泪”。
葡萄酒的挂壁现象，是葡萄酒因为表面张力梯度而造成的传质现象，其原理就是“马伦哥尼效应”(Marangoni Effect)。也就是说，在某些液体体系中，因溶质浓度、表面活性剂浓度和温度等不均匀分布，会在液体表面形成表面张力梯度，使液体从低表面张力区域流向高表面张力区域，甚至引发不稳定的流动。
葡萄酒的挂壁现象原理就是马伦哥尼效应。供图：杨超。
在地球上，液滴的凝并过程十分复杂，液滴的行为往往受到重力和表面张力的影响，而且二者作用量级相当。对于复杂的液滴或者气泡聚并、破碎，或者传热、传质的马伦哥尼效应，往往在重力的干扰下，无法获得规律性的认识。
千万别恍然大悟——科学家们要上天去研究喝葡萄酒的事——并不是！
人们常用用葡萄酒的挂壁程度来判断葡萄酒的质量，其实是一定的道理的。葡萄酒的黏性越强，其中含有的如糖、甘油、矿物质和酒精度越高，酒的挂杯效果就越好。而这种品尝美酒时颇具欣赏性的挂杯现象，却有潜力成为强化传质的最佳手段。
一杯酒的马伦哥尼效应尚且如此明显，如果是在一个巨大的工业反应器中呢？研究液相混合和传质的意义，就在于解决化工反应器的放大效应。什么是放大效应？举个简单的例子，食堂的大锅饭菜通常都很难吃，而小炒窗口的口味还不错。除了食材新鲜程度、缺少油水之外，最重要的原因是放大效应。从小锅小铲到大锅大铲，即使师傅体力和火源热量均成比例增加，平均到每块菜的受热面积还是降低了，传热效率降低，本来应该大火快炒的菜，变成了焖熟、炖熟，口感肯定差了很多。
化工厂就像是个大厨房。我们研究化学反应在“小锅”中进行，却要放到“大锅”中批量生产。“小锅”中反应物之间接近理想状态混合，在质量传递和热量传递等方面都不存在问题。而将这些反应，尤其是多相的复杂反应，投到在“大锅”中时，随着反应器尺寸剧增，反应物就会混合不均，传热传质效果变差，往往产品收率和选择性都会大大降低。因此，为了提高生产效率和产品质量，化工行业不得不通过前处理、后处理等步骤，对原料和产品进行再加工，而这些过程往往是高污染、高能耗的源头。
逐级试验放大示意图。供图：杨超。
所以，研究两相流体的混合和传质过程是解决放大效应的根本。然而，有目的地利用马伦哥尼效应来强化传质过程，尚没有达到 用于工业过程和设备设计的程度，甚至研究它的实验也还存在相当大的难度。这就是为什么要把这个实验搬到天上去做——在微重力的太空中，把重力因素排除之后，就可以单独考察表面张力、粘性力、静电力等作用对液滴凝并过程的影响。
这次在天上要做的实验，简单来说，就是采用水油体系，在油相中加入适当表面活性剂和染色剂（苏丹红），然后将水油两相同时注入到观测室中，通过条件控制，搅拌桨转速和时间，控制流体混合的状态，并通过显微镜和相机进行拍照记录液滴的聚并和运动等行为，然后通过拍照记录并采用软件分析浓度。
这颗卫星，将要经历发射上天，在轨释放，消旋稳定，在轨测试的过程，之后依次开展科学实验，预计在两周以后，它将会传回第一批数据。地面的科学家们，将会根据这些数据，对其展开理论研究工作。这些研究主要面向化工领域的一些基础问题，其成果对于未来相关产业来说，不仅提升生产效率、降低成本、提高能源利用率，减少不必要的环境污染，陈家镛一号星，将是一个新的起点。（编辑：wuou）
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