微重力科学

当牛顿提出了通用的引力理论早在1687年,不太可能,他可以想象,近330年后,英国宇航员皮尔斯卖家会漂浮在国际空间站与芯片从他的苹果树。在现代的太空探索我们都熟悉失重宇航员漂浮或做杂技,但是有很多微重力的影响仍然未知。微重力影响材料如何表现,如何化学反应进程和生物学功能。

这些问题似乎最感兴趣的边缘群体已经在谈论太空殖民,包括Elon Musk这样的企业家。甚至有了一个空间的国家,号称拥有274会员,00人,他们已经宣布卫星Asgardia-1,一个主权国家。但对于陆地绑定科学家的话,微重力还可以提供一个独特的环境理解物质的基本属性。没有重力,事情有时意外的行为,这些知识可以帮助激发创新。

但在微重力试验并不总是需要太空飞行。有许多方法来创建临时微重力环境在地球上使用自由落体条件——没有其他部队行动对抗重力。这可以通过大幅下降塔,“听”(instrument-carrying)火箭和抛物型飞机。

那些给你任何东西,从数秒到数分钟内的微重力,”解释了特拉华大学的化学工程师埃里克·福斯特在美国——但这并不总是足够当你的实验需要几个小时。福斯特的答案是国际空间站(ISS)。在1998年首次推出,73米长的站现在是微重力研究中心。这“国际空间站已经发展成为非常独特的和令人难以置信的研究机构在地球上空250英里(400公里),”福斯特说。

尽管它提供微重力,空间站在近地轨道,因此经历地球的引力的90%左右。然而,船上仍然体验微重力站在自由落体——不断地向地球坠落,但移动速度为每小时17500英里(28000公里)所以留在轨道上。

燃烧没有浮力

最早的化学反应研究在国际空间站是燃料的燃烧。科学家丹尼斯·斯托克在美国宇航局格伦研究中心的变化出现在微重力解释道:“我不认为基本反应正在发生变化,但是运输的物种的反应区显著变化。”

在重力,燃烧是由对流——地心引力的作用下冷密度空气火焰的底部和热气体上升,喂新鲜的氧气反应。但在微重力这不会发生;只有随机扩散的氧气。这火焰的形状变化不再是泪珠。在微重力环境中有效地没有向上或向下,还有产生的热气体燃烧,但他们只是在各个方向扩张。说,所以蜡烛火焰变成了球形储料器。他补充说,由于氧气的扩散较慢,燃烧可以较弱,但有时更持久。没有热气体上升,二氧化碳和水蒸气会收集周围的火焰,往往是那么健壮。虽然弱,已经表明,他们将燃烧条件下,他们不会在地球上。”

装料工正在持续的Acme项目(通过微重力实验先进燃烧),和当前实验观察电场的影响,特别是在烟尘的形成——由于氧气不足产生的碳和有机物的反应。我们对空间站进行了测试,我们已经能够影响火焰的油烟特征并利用电场火焰成为non-sooty,”斯托克说。

国际空间站vending-machine-sized 100公升的燃烧室设施,宇航员将为科学家实验远程运行来自美国宇航局的克利夫兰格伦研究中心。没有对流,科学家可以遵循带电离子在燃烧生产将如何应对强大的电场,通过铜网应用在10000 v人造空气环境。

“微重力强烈影响(煤烟生产),因为地球上的热气上升,”斯托克说。[在]微重力火焰将缺席的活跃的加速度得到更长时间的烟尘生长在火焰中,你可以得到非常乌黑的火焰。项目仍在进行之中,但希望他们可能学习电场可以稳定贫燃料燃烧火焰和产生更少的污染地面使用。

下降!

试验没有对流也吸引人工光合作用凯瑟琳娜Brinkert研究员在美国加州理工学院的。她认为太阳能光电化学分解水细胞生成氧气或燃料的理想,或删除二氧化碳对长途太空任务,阳光仍然是丰富的。但Brinkert也意识到,在微重力试验可能提供的想法让她细胞工作更有效率。

Brinkert看着半电池氢从她的细胞进化的过程,由p型的磷化铟半导体下铑electrocatalyst层在高氯酸电解质。实验进行的不莱梅塔下降在德国不莱梅大学的。这个疏散塔是146米和对象在其中体验4.74年代的微重力下降。Brinkert使用弹射器模式,将实验之前,塔的顶端下降,它扩展了微重力9.3 s。

电池装在一个胶囊的光源,这样生成的光电流可以被记录在那些宝贵的9.3秒。她发现在微重力光电流立即被减半。的问题是,在微重力气泡粘在电极表面和不以任何方式排斥,“Brinkert说。与燃烧,反应的效率依赖于重力——在这种情况下,消除氢的电极表面,没有它,建立“泡沫”层。¹

由Brinkert和他的同事们设计的解决方案是设计一个新的电极表面。我们寻找一种方法来击退从表面泡沫,这样做的方法之一是引入纳米结构。“纳米铑electrocatalyst层创建”催化热点”,建立预防泡沫。“你真的创建泡沫的这些纳米结构,“Brinkert说。以及为太空探索提供潜在的未来能源,利用微重力帮助阐明地面设备的设计缺陷,不会明显在正常实验。

达到热力学平衡

在某些领域,微重力的提供了一种方法消除干扰达到热力学平衡的动力学因素。这种情况下的自组装胶体调查福斯特国际空间站。通常你不得到平衡结构,得到某种结构由动能瓶颈,得到眼镜或胶状结构,”他解释说。

只有在微重力可以可以观察到这些效应

2009年下班送他的第一次实验空间站研究magnetic-field-induced组装1µm-sized的聚苯乙烯小球在水中。spheres surface-functionalised磁铁矿。在这样的系统在地球上,磁场诱导相变通常停止或活动被困,但这些效果消失,而沉降发生在重力。”在一个磁场他们回应小磁铁,这样,我们就可以直接组装。我们可以极化磁场和(球体)链开始相互作用,”福斯特说。

福斯特还发现另一个不寻常的效果只有在微重力环境下的骨质流失。当磁场处于关机状态,自由悬浮粒子列开始扣由于扩张效应。“我们没有料到这个结果,”福斯特说。“这真的是一个不寻常的事情——你可以想想作为热膨胀本质上,就像铁轨上可能会扩大,如果你没有正确的关节时他们可以扣横向扩张。的扩张似乎与熵的变化,当磁场结构往往变得不那么下令删除。²但只有在微重力可以可以观察到这些效应。

生活在微重力

微重力可以帮助我们理解物质世界,但其对生物的影响是什么?我们知道肌肉和骨骼密度减少微重力和很多人会想到过去landing-pods宇航员进行,不能行走,由于问题后维持血压的时间花在微重力(虽然现在通常是不必要的,由于严格的锻炼)。这是年长者或卧床的人非常相似,在本质上是心血管系统不使用[反对]重力,”解释了纳撒尼尔Szewczyk从诺丁汉大学的肌肉骨骼老化研究中心在英国。

但并不是所有响应微重力以同样的方式生活。“跨物种最一致的,你看到的是改变新陈代谢。基本上表现,取决于物种,如增加或减少经济增长。例如在微重力一些细菌和病毒毒力更强,少一些,Szewczyk说。正如所料,改变基因表达发生在最近发现在基因控制代谢和生化途径给我们能量。

但是一直有一个问号,生理变化宇航员在微重力是否缺乏引起的重力或只是缺少活动。为了测试这个Szewczyk与日本团队在国际空间站工作比较蠕虫如何应对不活动和微重力环境下的骨质流失。我们使用秀丽隐杆线虫蠕虫,有一个热敏神经肌肉信号突变。当你蠕虫是增长的转变温度,本质上他们不能做神经肌肉信号,Szewczyk说。这意味着蠕虫是无法移动,所以独自微重力的影响可以被孤立。蠕虫送往国际空间站返回地球冻结,他们的基因和蛋白质表达可以比较的地方。

相对于那些生长在地球上,他们发现虫子生长在微重力基因表达水平降低了负责肌肉纤维,以及细胞骨架元素和线粒体代谢酶。所以微重力似乎削弱细胞骨架网络,肌肉蛋白质和似乎切换新陈代谢的节能模式。⁴

表观遗传学——环境因素改变基因的行为方式可以提供答案在mirogravity正是生活发生的变化。表观遗传学是通过DNA甲基化和组蛋白修饰,它提供了一种机制来压制或打开基因。日本广岛大学的一个小组由路易Yuge试图调查epigenetc变化导致失重的肌肉损失。⁵他们用另一种方法来创建微重力- 3 d称为回转器设备的重心——模拟微重力旋转设备在两个轴平均引力向四面八方扩散。Yuge看着一个基因的表达水平叫做Myod1调节肌肉细胞的分化。表达水平明显下降在微重力效应可能被复制在重力细胞治疗药物,阻止了DNA甲基化。所以强烈建议在微重力肌肉损耗与DNA甲基化的变化。

膜在太空

显然微重力生理影响人类和其他生命形式——但在分子层面的原因是什么?细胞检测重力如何?一定是导致表观遗传变化发生;必须有一种机制。豪恩海姆大学的分子生物学家Florain科恩在斯图加特,德国一直在寻找它。

有证据表明,重力可以敏感的离子通道。这些门通过细胞膜和蛋白质允许分子大肠杆菌,一些离子通道允许更多的分子扩散通过比微重力和保持开放时间增加重力。⁶但科恩一直看着膜本身。从地球实验几十年前我们就知道,如果你改变膜参数,所有离子通道的影响。

细胞膜是由磷酸磷脂分子层,有一个亲水的头部和疏水尾部组成的两个脂肪酸链。科恩决定看看重力改变了细胞膜的流动性或粘度在空细胞和人工膜。他利用抛物线飞行和探空火箭,分别提供22秒和微重力的6分钟。⁷和荧光偏振测量各向异性(FPA),这种技术指标膜粘度使用所发射的荧光染料的量是附着在膜本身. .

我们看到在微重力膜变得更加流畅,如果我们去hypergravity,它越来越僵硬,“证实了科恩。的每一个细胞都有细胞膜,无论如果是大脑或皮肤细胞对重力的变化,因为无论哪个单元膜流动性的改变。但他仍持谨慎态度。“我们不确定究竟发生了什么,在分子水平上意味着什么。(膜)直径变化或者是分子之间的距离改变了?我们还不知道。”

一个有趣的结果是微重力的药品对人体生理的影响。“药物微重力的变化的影响,因为,例如,在麻醉药或止痛药,他们必须融入膜如果膜的状态改变,这意味着这些药物的集成是改变。科恩说它已经知道一些药物,如ibruprofen和利多卡因,在微重力,这可以解释为什么不同的工作。从长远来说,我们不知道在微重力生物系统能够适应和改变,这是否会让药物一样工作在正常重力,后一个适应期。如果我们谈论的是派人到火星或其他地方我们应该确保他们的工作,”他说。

有许多事情我们还是可以学习和微重力和似乎研究将继续准备更多的太空探索。2018年2月,Nasa宣布计划重返月球,开发月球轨道前哨”为人类提供了基础探索深入太阳系”,2020年开始建设。人类还没有进化到生活在微重力和我们才刚刚开始理解它可能导致的变化。Szewczyk说,最大的危险虽然不是微重力,但辐射,可能会更危险超越地球的保护带电粒子范艾伦辐射带。我认为如果人们想要做的,当钱放在背后,它会发生,不管是否会对健康造成负面影响,“Szewcyk说。

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国