零重力咖啡杯

原文：http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/15jul_coffeecup/




2013年7月15日：在我们的星球之上，是卫星和空间站所处的区域，在那里，我们所熟悉的地球上的规则并不适用。中午的天空和晚上一样黑。没有上升，也没有下降。丢掉的物体不会落下，而热空气也不会上升。

然而，在那遥远的高处所发生的一切奇怪的事情当中，最奇怪的事情有可能发生在了咖啡身上。

波特兰州立大学的物理学教授Mark Weislogel已经考虑了很多有关太空中的咖啡（以及其他的液体）的问题，他这样描述那里发生的事情：

“首先”，他讲到，“仅仅是把咖啡倒入杯子中都会是一件难事。缺少重力的引导，倾倒液体会变得非常棘手。”

“但是，出于讨论的目的，我们假设你现在位于空间站中，而且手中拿着一杯咖啡。”最自然的一件事就是把杯子倾斜、靠向你的嘴唇，但是当你这么做的时候…

“咖啡会变得很难控制”，他继续说道，“事实上，它可能不会‘从杯子中出来’。而你将不得不朝着你的脸摇晃杯子，希望有一部分的热咖啡能够挣脱出来并漂浮着移动到你的嘴里。”

从好的方面讲，你可能会在杯子空了的时候恍然大悟。

咖啡并不是太空中唯一一种“行为不端”的液体。低温燃料、保温的冷却剂、饮用水和尿液也都会如此。液体的行为是太空飞行中所有最不可能感知到的事件之一。

这就为设计使用液体的宇宙飞船系统的工程师们造成了一个极端的挑战。“我们的直觉全都错了，” Weislogel感概到，“当推测什么液体能够在新系统中发挥作用时，我们通常一无所知。”

为了更好地理解微重力下的液体，Weislogel和他的同事们在国际空间站中执行了毛细流动实验。举例来说，在他们的实验套件中，其中一个设备着眼于“内部角落”。如果两个固体表面以一个足够狭窄的角度相遇，则微重力下的液体会很自然地沿着接合面流动——不需要泵送。这个毛细管效应可用于引导宇宙飞船中的各种液体，从低温燃料到回收的废水。由于受到重力的抑制，这种现象在地球上很难研究，但是在空间站中就可以很容易地创造和观察大型的角落流。

凭借他们的工作而发明出来的设备，Weislogel和他的同事们已经被授予了三项专利。第一项是微重力冷凝热交换器。另一项专利描述了一种能够分离和控制多相流体的装置。第三项专利是——你猜对了——一个低重力的咖啡杯。

宇航员唐·佩提特在他身处国际空间站期间，参与了毛细流动实验的工作并帮助发明了这种杯子，他与Weisogel和其他两位数学家Paul Concus和Robert Finns一同分享了该项专利，这两位数学家进行了第一次关于该现象的理论分析。

从根本上说，这个杯子的一边有一个锋利的内角。在空间站的微重力环境中，毛细作用力使液体沿着杯子的通道恰好流入饮用者的口中。

“随着你的啜饮，更多的液体持续流入，而你也就能够在失重的环境中享受你的咖啡——直到最后一滴。” 佩提特说道，“当将来的太空殖民者们想要庆祝一下时，这很有可能就是他们所使用的方式。”的确，专利申请书中特别提到了把“祝酒”作为该设备的一个用途。

很容易想象他们是如何举杯祝酒的：厕所、空调、燃料罐和循环系统，由于国际空间站上毛细流动实验的帮助，工作会更加顺利。