《自然》雜志展望2020年重大科學事件,都與真空技術密切相關

真空基礎 admin 科技日報

  近日,《自然》雜志網站為我們梳理了2020年科學領域值得期待的大事件。包括中國的嫦娥五號奔赴“廣寒宮”執行月表采樣返回任務、中國的“火星一號”等多款探測器摩拳擦掌奔赴火星、大型對撞機夢想升級等等。

  值得一提的是,這些重大的科學事件中,囊括了航天、宇宙探索、高能物理、高溫超導、生物、制藥、新能源等諸多領域,它們無一不與真空的應用緊密相關。隨著科學技術的發展,真空技術必將深入更多領域,并且變得不可或缺!

1、火星探測

  火星距離地球最近點是5500多萬公里,最遠點超過4億多公里。“火星沖日”每隔約26個月發生一次,在此期間地球與火星距離較近,可用較小花費和較短時間將探測器送往火星,而最近的“火星沖日”就在2020年7月。

  有鑒于此,中美歐爭先恐后于2020年發射航天器登陸火星,40多億年來一直“寂寞沙洲冷”的火星也將變得熱鬧非凡。

  美國國家航空航天局(NASA)將于夏天發射“火星2020”火星車,它將在火星上采集并存儲巖石樣本,留待未來的任務帶回地球,與它一起到達的是一款小型可拆卸無人直升機。

火星探測

“火星2020”探測器在火星上的藝術圖

  中國首臺火星探測器“火星一號”也將于2020年擇機發射,并計劃2021年降落火星。

  如果可以解決著陸降落傘的問題,歐洲航天局(ESA)的“羅薩琳德·富蘭克林”火星車將搭載俄羅斯火箭升空,它將利用一個能鉆探到地表以下兩米深處的鉆頭提取未受強烈輻射的物質,這種物質中或許含有火星上曾存在生命的證據。

  此外,阿拉伯聯合酋長國也計劃朝火星發射一臺軌道器,這將是阿拉伯國家的首個火星飛行任務。這一探測器將于次年抵達火星軌道,慶祝阿聯酋建國50周年。該任務目標包括通過追蹤氫氣和氧氣的逃逸來理解火星為什么會失去大氣層,以更好地了解火星大氣層。

  讓我們將目光拉回離家近一點的地方!嫦娥五號將于2020年執行月面采樣返回任務。此外,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的“隼鳥2號”將把從小行星“龍宮”上采集的樣本送回地球;NASA的“源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器”則會從小行星“貝努”上“咬下”一塊樣本。

2、宇宙探夢

  2019年,科學家借助事件視界望遠鏡成功拍攝到首張黑洞照片,舉世轟動。這一超大質量黑洞位于星系梅西耶87中央,質量為太陽質量的65億倍。

科學家拍攝到的首張黑洞照片

科學家拍攝到的首張黑洞照片

  但這只是故事的開始!事件視界望遠鏡合作組今年有望發布有關銀河系中央超大質量黑洞“人馬座A*”的新結果:除了發布多張圖像,可能還會發布一部“人馬座A*”周圍旋轉氣體的視頻。 ESA的“蓋亞”探測器也將更新銀河系三維圖譜,讓科學家更好地了解銀河系的結構和演化歷程。

  引力波天文學家也不甘示弱,他們將公布2019年觀察到的宇宙撞擊數據,包括黑洞間的并和,以及以前未曾觀察到的黑洞與恒星之間的碰撞。

3、巨型對撞機建造

  歐洲核子研究中心(CERN)希望2020年能為未來的巨型對撞機籌集到資金。這個全球最大的粒子物理實驗室將于2020年5月在布達佩斯召開理事會特別會議,討論決定歐洲粒子物理戰略規劃的更新事宜,巨型對撞機是其中一部分。

  CERN的大型強子對撞機(LHC)是目前世界上最強大的對撞機,全長27公里。CERN希望更上一層樓,建造一臺100公里長的對撞機,長度接近LHC的4倍,能量更是LHC的6倍多,成本可能高達234億美元。

CERN未來的巨型對撞機的藝術圖

CERN未來的巨型對撞機的藝術圖

  無獨有偶,美國費米國家實驗室將在2020年公布“繆子 g-2”實驗的結果,無數科學家對此翹首以盼。該實驗旨在對繆子(電子更重的“表親”)在磁場中的行為進行高精度測量。物理學家希望能發現小小的異,F象,揭示出以前未知的基本粒子,從而拉開新物理學的序幕。

4、合成酵母橫空出世

  合成生物學家旨在從頭構建面包酵母的“合成酵母2.0”(Synthetic Yeast 2.0)項目將于2020年完成,這一雄心勃勃的計劃由全球的15個實驗室聯袂實施。

  此前,研究人員已將更簡單有機物(如絲狀支原體)的遺傳密碼全部用人造版本替換,但酵母細胞更復雜,對其改造也更具挑戰性。目前,研究小組已用合成DNA替換面包酵母16條染色體中的所有DNA,也重組并編輯了其基因組,以了解其如何進化和發生突變。

  他們希望,經過遺傳改造的酵母細胞可讓科學家更靈活高效地制造出多種產品,從生物燃料到藥物,不一而足。

科學家正在制備的合成酵母

科學家正在制備的合成酵母

5、阻止氣候變暖

  2020年8月,聯合國環境規劃署(UNEP)將發布一份針對地球工程科學和技術的重要報告。地球工程方法旨在應對氣候變化,相關措施包括減少大氣中的二氧化碳,通過阻擋陽光來阻止全球變暖等。

  國際海底管理局也將于2020年發布人們期待已久的法規,使海底開采成為可能,但科學家擔心這種做法會破壞海洋生態系統,甚至對已飽受重創的環境帶來災難性影響。

  全球應對氣候變化將迎來關鍵時刻!第26屆聯合國氣候變化大會(COP26)將于2020年11月在英國格拉斯哥拉開帷幕,這次會議將是自2015年《巴黎協定》簽署以來最重要的氣候變化會議。屆時,各國必須提出減少本國溫室氣體排放的新目標,以實現《巴黎協定》設定的目標—即到2100年將全球升溫控制在工業化前水平2攝氏度內。

  目前,大多數國家在兌現承諾方面的表現差強人意,《巴黎協議》自身也懸而未決:美國已于今年11月4日啟動退出《巴黎協定》的程序,退出過程需要一年。這意味著美國將于2020年11月4日起正式退出,美國這一舉措帶來的影響目前還是個未知數。

6、美國大選影響科學

  新一輪美國總統選舉將于2020年11月舉行,眾議院全部435個席位及參議院100個議席中的35個席位也會改選以產生美國第114屆國會。誰將入主白宮?誰將掌控國會?結果可能會對科學尤其是氣候科學產生重大影響。

  如果唐納德·特朗普連任,他將繼續推翻其前任的氣候政策,并確保美國在大選后第二天正式退出《巴黎協定》。當然,如果民主黨贏得白宮或在國會中取得多數席位,則可能阻撓特朗普的這一舉措。

7、 “人鼠”正在到來

  今年7月,日本政府批準了首個申請利用動物培育人類器官的項目——利用誘導多能干細胞(iPS細胞)在實驗鼠體內培育人類胰臟,這一項目旨在確認利用相關技術能否在動物體內正常生長出人類器官,以便將來用于移植。

  這一研究由東京大學生物學家中內啟光領導,他們將首先修改實驗鼠的受精卵,使其無法正常生成胰臟,然后向受精卵中植入人類iPS細胞,之后再將含有人類細胞的動物胚胎移植回實驗鼠子宮。

  日本此前一直明確禁止含有人類細胞的動物胚胎生長超過14天,也禁止將此類胚胎移植到代孕子宮內。但文部科學省今年3月修改了相關規定,允許在動物體內培育人類器官。日本研究人員還計劃在豬的受精卵中植入人類iPS細胞。

  盡管這一研究已獲批,但仍引起廣泛爭議。有研究人員認為,異種移植仍需克服來自道德倫理和技術上的巨大障礙,在實驗室中培育的“類器官”可能更安全、更有效。

同時包含有大鼠和小鼠細胞的胚胎

同時包含有大鼠和小鼠細胞的胚胎

08、向蚊子宣戰

  在新一年里,科學家除了關注星辰大海,對身邊的小小敵人也不會忽視。在印度尼西亞日惹市,針對一項可阻止登革熱傳播的技術開展的重大測試將得出結論。研究人員已將感染了沃爾巴克氏菌(會抑制引起登革熱和寨卡病毒等的蚊媒病毒的復制)的埃及伊蚊釋放到野外,使這種細菌在蚊群中傳播?茖W家此前在印度尼西亞、越南和巴西進行的小規模測試顯示,這一技術極具前景。

  一種治療瘧疾的疫苗也將給人們帶來好消息,該疫苗將在赤道幾內亞的比科島進行試驗。世界衛生組織也希望到2020年消除昏睡病。這是一種由采采蠅傳播的疾病,不僅能導致嚴重的睡眠紊亂,還會讓人產生攻擊性、精神錯亂,最終導致死亡。

9、高溫超導更進一步

  2020年或許也是超導專家們的豐收之年。超導體在特定溫度下電阻為零。目前,超導體一般在較低溫度下才能工作,這極大地限制了其用途,物理學家一直希望能研制出在室溫下工作的超導體。他們相信,這種超導體一旦問世,將徹底改變電力的傳輸方式,并節省大量能源。

具備超導功能的鑭化合物

科學家在2018年制備出一種在接近室溫的條件下具備超導功能的鑭化合物

10、固體能源新秀輩出

  2020年,太陽能電池領域也將迎來不少“小鮮肉”:其中最值得期待的是鈣鈦礦太陽能電池,不少公司計劃于2020年開始銷售這種電池。

波蘭科技公司Saule Tech用噴墨打印機制造出的太陽能電池板

波蘭科技公司Saule Tech用噴墨打印機制造出的太陽能電池板

  迄今大多數太陽能電池板由硅制成,但硅制造成本高;而鈣鈦礦吸光效率更高、成本更低且制造工藝更簡單。因此,鈣鈦礦太陽能電池已成為電池行業“新寵”。隨著技術不斷進步,這種電池有望成為光伏行業新的“攪局者”。

  此外,在2020年7月的東京奧運會上,能源行業可能見證一個奇跡誕生的時刻:屆時豐田汽車公司有望發布首款固態電池動力汽車原型,這種電池用固態電解質替代傳統電池內的液態電解質。

  在過度充電等異常情況下,液態電解質電池容易發熱,造成自燃甚至爆炸在過度充電等異常情況下,液態電解質電池容易發熱,造成自燃甚至爆炸;由于化學性質的限制,這種電池的能量密度也很難提高。而固態電解質在提高電池能量密度的同時,還能解決安全性問題。