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浙江首个国家重大科技基础设施进入初步设计阶段,三位院士详解国之重器——

超重力,重现地球沧海桑田

  浙江在线1月18日讯(浙江在线记者 曾福泉 通讯员 柯溢能 吴雅兰)浙江首个国家重大科技基础设施的可行性研究报告日前获批,进入初步设计阶段。5年后,一个与贵州“天眼”、上海光源、合肥“人造太阳”等大科学装置同一量级的国之重器,将浮现在浙江大地上。

  这个“国字号”大科学装置全称为超重力离心模拟与实验装置,由浙江大学牵头建设,组建了以10位院士为核心的科研团队,浙大陈云敏院士担任项目首席科学家。项目团队用这个巨大装置的英文缩写给它起了个名字,叫CHIEF,寓意它成为同类装置中的翘楚,引领全球科学家探索超重力科技前沿。

  长期以来,缺少国家重大科技基础设施是浙江创新发展的一个突出短板。远的如北京、广州,近的如上海、安徽这些长三角小伙伴,都因高能级科技平台的落户而崛起一个个创新高地,进而发展为科创中心。浙江要有国内顶尖、世界一流的重大科学装置,已经成为创新强省建设的明确目标。

  由此,CHIEF的落户备受期待。它长什么样?建成后将如何运转、发挥哪些作用?国之重器的落户,对浙江意味着什么?近日,项目团队的三位重量级专家——项目首席科学家陈云敏院士、材料科学专家张泽院士和地质学家杨树锋院士就这些问题接受了记者采访。

  CHIEF长什么样

  “长臂巨人”、一眼“万年”

  几位专家打了个比方,CHIEF建成后的样子,就像一个长着两只强有力的长手臂的巨人,一手抓一个“篮子”,飞快地原地转圈。“篮子”——也就是实验舱——里面装着的东西就会受到超重力场的影响。

  我们日常感受到的重力场被称为常重力场,重力加速度为1个g。大于1个g的就叫作超重力。神舟十一号航天员陈冬描述过,飞船上升时,重力加速度达5.5个g,这样的超重力会让航天员产生胸闷、呼吸不畅等反应,是个不小的挑战。

  超重力环境带来的不寻常效应远不止于此。它能让空间变小、时间变快。比如,科学家想知道100层楼高的房子对地基的影响,他们只需要造一层楼高的模型,再将其置于100个g的超重力作用下,所得的结果是完全一样的。又如,大自然在数百万年里发生的地质变迁,科学家在超重力环境中用几天就能模拟出来。

  “CHIEF的两臂高速旋转,在实验舱内就会产生超重力场。转速越快,超重力场就越强。转臂半径越大,超重力场就越均匀。”陈云敏院士介绍,CHIEF主体部分由两台离心机和6座超重力实验舱构成,建成后,离心机最大容量达1900g·t(重力加速度·吨),最大离心速度达1500g,最大负载超过32吨,将成为世界上容量最大、应用范围最广的综合超重力多学科实验平台。18台机载装置中6台国际首创、12台技术指标国际领先。

  有了超重力效应赋予的一眼“千里”、一眼“万年”的实验能力,许多高难度课题研究成为可能。本设施设计的6座超重力实验舱,将分别开展边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备等6个领域的科学研究。

  在边坡与高坝实验舱,启动极端气候与环境模拟装置,可以模拟暴雨,52分钟实现一年四季湿度变化,像2013年云南镇雄气候环境作用下的大型滑坡这样的事件就可得到再现。岩土地震工程实验舱里的三向振动台能同时在3个方向进行振动,能模拟出汶川地震中的抛射效应、蹦床效应,推动近场地震动研究的发展。深海工程实验舱里的“油气开采平台”将接受大风大浪和海啸的考验,能研究钻井平台等海洋工程设施遇到的破坏机制。地质过程实验舱能够模拟百公里岩石圈历时上百万年的地质过程,再现青藏高原的隆起过程……

  陈云敏介绍,“十二五”时期,浙大团队就向国家提出了超重力离心机项目的规划建议。项目正式列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》后,浙江又积极申报项目落户,项目建议书、可行性研究报告先后获批。CHIEF建设地点位于杭州市余杭区未来科技城,建筑面积34560平方米,建设周期5年,项目总投资超20亿元。

  大科学装置的研制处处充满了创新,一切都需要重新摸索。“一方面要做到国际领先,一方面又要确保技术成熟,能顺利产出成果。”陈云敏这样阐释CHIEF建设的高难度。对工程建设而言,光说“原理上行得通”是远远不够的,必须要在技术上消除所有隐患。国内外许多企业参与建设这一项目,大量零部件都是为了CHIEF专门设计制造的,有一个不过关,装置的科学目标可能就实现不了。陈云敏带领团队埋头开展预研工作,在正式开工之前把可能碰到的技术难题都提出来,目前已经列出了48项关键技术。

  CHIEF能做哪些事

  面向国家重大战略需求

  因为能够利用超重力种种神奇效应,营造日常环境中不存在的极端物理条件,超重力离心机被视为一种“革命性的工程工具”。首台超重力离心机于1931年在美国建成,世界上许多发达国家和高水平研究机构随后竞相投入建设超重力实验装置。目前世界上容量最大的美国陆军工程师兵团离心机容量达到1200g·t。

  浙大在超重力研究方面有着深厚基础,2010年建成了容量400重力加速度·吨、最大150倍重力加速度的超重力离心机与机载装置,称为“ZJU400”,在岩土体地震液化、固体废弃物填埋场环境灾害防控方面开展了大量实验,已取得一系列国际先进的科研成果。

  已经有了“ZJU400”,为什么还非建CHIEF不可?科学家们解释说,容量对于超重力离心机至关重要,CHIEF瞄准1900g·t的未来世界最大容量,正是为了开拓科技前沿,解决国家重大战略需求背后蕴藏的亟待探知的科学问题。

  中国已经吹响了“向地球深部进军”的号角,深地开拓科技问题上升到国家战略高度。杨树锋院士说,地球深部蕴藏着矿产、油气资源,如何找到它们,研究其形成规律,长期缺乏有效的科学手段。2017年,我国在南海成功试采“可燃冰”,但要实现商业化开采,急需攻克千米级深海地层水合物相变多场相互作用机制及灾变效应的科学难题。

  研究地球内部物质的运移和演变,涉及时间跨度长、空间跨度大。“超重力‘压缩时空’的效应大有用武之地,能帮我们做成多年来一直想做的事。”杨树锋说,我国的资源勘探正在向千米级深地进军,对于百万年、数百公里的地质构造和成岩成矿过程规律的研究,将为我们寻找合适的矿产资源提供精准指导。

  新材料研发是高端制造业的基础,合金材料的高通量制备及优化筛选,将是我们研发战略性新型材料的重要路径。张泽院士对此深有感触。我们多年埋头攻关自己的航空发动机,很多材料平常状态下表现优异,制成涡轮叶片高速运转后,性能却大打折扣。“涡轮叶片就是在高温、高离心力加速度的环境下工作的,我们此前长期缺乏这样的实验条件。”张泽说,利用大容量的超重力离心机,还能够制备尺寸更大的高通量样品,帮助我们更快更好地发现高性能材料。

  污染物在地下环境中如何迁移?科学家考虑的不是一两代人的时间,而是一万年的尺度。我国大坝数量居世界之首,一旦溃坝将造成灾难性后果。边坡与高坝的防灾减灾,急需科学家来揭示300米级的高坝溃决和边坡失稳、滑动和流滑机理。我国还是世界上地震灾害最严重的国家之一,发展高性能的抗震设计方法,关键的科学难题在于探索复杂场地的地震规律和岩土体致灾效应。陈云敏说,在这些领域,CHIEF都能发挥它的“特长”。

  浙江为什么需要CHIEF

  有了金刚钻,才能揽瓷器活

  国家重大科技基础设施着眼于提升人类探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革能力,它面向国际科技发展前沿,聚焦我国经济社会发展和国家安全战略性、瓶颈性科技难题。它不仅催生一批世界一流研究成果,其建设过程还能锻炼科研队伍、研发关键设备,培育起能够生产这些设备的高技术企业。

  “有了金刚钻,才能揽瓷器活。待这样重量级的装置落地,就能做一些别人做不了的大事,就能吸引愿意做大事的人。”张泽院士说。

  环视长三角地区,就有上海张江、安徽合肥两个综合性国家科学中心。在这两地,国家大科学装置密集,汇聚了一批中国最顶尖的研发机构和研究团队,有一些领域代表了全球一流水平。抓住科技革命的机遇,依靠原始创新引领技术变革和产业发展——这是许多经济发达地区正在践行的发展战略。

  不创新不行,创新慢了也不行。要让创新真正成为浙江发展最鲜明的时代特色。CHIEF落户,将为浙江科技创新发展提供强大的源头供给,发挥重要支撑作用。

  同时,大科学装置还是一个开放的平台,可以让我们在国际合作与竞争中更具话语权,是参与国际前沿科技竞争的利器。陈云敏介绍,建成后,25%的机时数用于浙江大学的各学科用户,其余75%的机时数目将用于基础研究用户、国际用户和企业用户。项目还将开展国际平行试验,发布超重力基准试验,共享重大工程超重力试验数据,并创建多学科科普平台,面向社会公众开放和提供技术培训。

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编辑:张望 来源: 2019-01-18 14:42

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