研究人员搭建外星海洋，测试美国宇航局外太空潜艇

【概要】当温度下降到华氏-300度，海洋由甲烷和乙烷组成，在这种环境下建造潜水艇会变得极为棘手。研究人员正尝试如何使一艘潜艇在泰坦海上工作，包括土星的最大卫星和太阳系中的第二大卫星。太空署计划在未来20年内将一艘真正的潜艇发射到泰坦海。

【图注】阳光照射在泰坦北部海域，这是来自美国航天局Cassini 号航天飞机的近红外彩色马赛克图像。

工程师们擅长在地球上设计潜水艇，但是当温度降至-300华氏度，海洋由甲烷和乙烷制成时，潜艇的制造会变得更加棘手。华盛顿州立大学的研究人员正在与美国宇航局合作，尝试制造一艘能在土星的最大卫星和太阳系中第二大卫星上工作的潜艇，太空署计划在未来20年内将一艘真正的潜艇发射到泰坦海。研究人员在实验室重新创建了一个泰坦海洋，并在“流体相平衡”期刊上发表了一篇论文。

研究者们对泰坦海特别感兴趣，因为它与地球有着相似的特点，它拥有流动的液体。但其又与太阳系中的其他任何地方都不同，月球的表面虽包括海洋，河流和云，而且像地球上一样，它可以下雨，但月球上的水循环并非以水为基础，而是以甲烷为基础。

参考在地球上制造潜艇的经验，美国宇航局一直在研究土星及其卫星运行十年间从Cassini 飞船所收集到的数据。该机构正在设计自动运行潜艇，这需要研究泰坦的大气和海洋条件，使潜艇能在海床周围移动，并在地表或以下盘旋。该工程更为棘手的地方在于，由于其与地球海洋中的均质水不同，泰坦海洋中乙烷和甲烷的浓度可能发生显著变化，并会改变液体密度等特性。

NASA的邀请

机械和材料工程学院的前研究生Ian Richardson试图解决在极端条件下建造潜艇所存在的问题。在华盛顿州的低温实验室里，他们研究了材料在极低温下的性质，Ian Richardson重新创造了泰坦的气氛，并测试了一台小型加热机器在这种条件下的工作方式。

Richardson拥有华盛顿州立大学机械工程学士学位，长期以来一直对空间和空间探索技术感兴趣。他曾是华盛顿州立大学有史以来第一位获得美国宇航局空间技术研究奖学金的学生，期间还在俄亥俄州Cleveland的美国宇航局Glenn研究中心实习。在一个独立的问题上进行研究时，NASA的一位科学家对泰坦提出了设计潜艇的问题。Richardson说：“我的研究刚刚出现一个突破，我就会接着跟进。这是一个疯狂的实验，我从来没有想过我会有这个机会，进行一个非常有趣和具有挑战性的实验设计。”

模拟泰坦海

WSU研究小组建立了一个测试室，将液体混合物置于极低温度下模拟泰坦的海洋。他们增加了一个两英寸的圆柱形筒式加热器，可模拟潜艇所产生的热量。研究人员面临的最大挑战之一是探究泰坦海域的气泡，由发热机器供电的潜艇进入非常冷的泰坦液体中，会形成氮气泡。太多的气泡会使船舶的操纵，查看，采集数据和管理压载系统变得极为困难。

在华氏-300度下拍摄视频

Richardson说，下一个挑战是在极为困难的条件下播放视频，他们的研究是在每平方英寸60磅的压力和接近华氏-300度的温度下进行的。Richardson的小组利用一种内窥镜和摄像机的光学设备设计了一种解决方案，该设备能够承受低温和高压，以便观测测试室内的情况。

“那里并非最友好的条件，”他说，“你必须想出创造性的解决方案。”研究人员成功地拍摄了乙烷-甲烷雨雪的录像。该小组还研究了甲烷和乙烷湖的冻结温度，并确定下来，由于液体中含有少量的氮，湖泊会在比预期更低的温度下结冰：开氏温度75开尔文，或华氏-324度，而并非90.5开尔文。Richardson说：“这很神奇，意味着你不必担心该过程中会出现冰山。”研究人员正在继续与NASA合作并对泰坦潜艇的设计进行更新。

原文链接：Researchers build alien ocean to test NASA outer space submarine
本文由材料人编辑部李妹编辑，点我加入材料人编辑部。

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