浙江首個國家重大科技基礎設施進入初步設計階段，三位院士詳解國之重器——超重力，重現(xiàn)地球滄海桑田
浙江在線1月18日訊(浙江在線記者 曾福泉 通訊員 柯溢能 吳雅蘭)浙江首個國家重大科技基礎設施的可行性研究報告日前獲批，進入初步設計階段。5年后，一個與貴州“天眼”、上海光源、合肥“人造太陽”等大科學裝置同一量級的國之重器，將浮現(xiàn)在浙江大地上。
這個“國字號”大科學裝置全稱為超重力離心模擬與實驗裝置，由浙江大學牽頭建設，組建了以10位院士為核心的科研團隊，浙大陳云敏院士擔任項目首席科學家。項目團隊用這個巨大裝置的英文縮寫給它起了個名字，叫CHIEF，寓意它成為同類裝置中的翹楚，引領全球科學家探索超重力科技前沿。
長期以來，缺少國家重大科技基礎設施是浙江創(chuàng)新發(fā)展的一個突出短板。遠的如北京、廣州，近的如上海、安徽這些長三角小伙伴，都因高能級科技平臺的落戶而崛起一個個創(chuàng)新高地，進而發(fā)展為科創(chuàng)中心。浙江要有國內頂尖、世界一流的重大科學裝置，已經(jīng)成為創(chuàng)新強省建設的明確目標。
由此，CHIEF的落戶備受期待。它長什么樣?建成后將如何運轉、發(fā)揮哪些作用?國之重器的落戶，對浙江意味著什么?近日，項目團隊的三位重量級專家——項目首席科學家陳云敏院士、材料科學專家張澤院士和地質學家楊樹鋒院士就這些問題接受了記者采訪。
CHIEF長什么樣
“長臂巨人”、一眼“萬年”
幾位專家打了個比方，CHIEF建成后的樣子，就像一個長著兩只強有力的長手臂的巨人，一手抓一個“籃子”，飛快地原地轉圈。“籃子”——也就是實驗艙——里面裝著的東西就會受到超重力場的影響。
我們日常感受到的重力場被稱為常重力場，重力加速度為1個g。大于1個g的就叫作超重力。神舟十一號航天員陳冬描述過，飛船上升時，重力加速度達5.5個g，這樣的超重力會讓航天員產(chǎn)生胸悶、呼吸不暢等反應，是個不小的挑戰(zhàn)。
超重力環(huán)境帶來的不尋常效應遠不止于此。它能讓空間變小、時間變快。比如，科學家想知道100層樓高的房子對地基的影響，他們只需要造一層樓高的模型，再將其置于100個g的超重力作用下，所得的結果是完全一樣的。又如，大自然在數(shù)百萬年里發(fā)生的地質變遷，科學家在超重力環(huán)境中用幾天就能模擬出來。
“CHIEF的兩臂高速旋轉，在實驗艙內就會產(chǎn)生超重力場。轉速越快，超重力場就越強。轉臂半徑越大，超重力場就越均勻。”陳云敏院士介紹，CHIEF主體部分由兩臺離心機和6座超重力實驗艙構成，建成后，離心機最大容量達1900g·t(重力加速度·噸)，最大離心速度達1500g，最大負載超過32噸，將成為世界上容量最大、應用范圍最廣的綜合超重力多學科實驗平臺。18臺機載裝置中6臺國際首創(chuàng)、12臺技術指標國際領先。
有了超重力效應賦予的一眼“千里”、一眼“萬年”的實驗能力，許多高難度課題研究成為可能。本設施設計的6座超重力實驗艙，將分別開展邊坡與高壩、巖土地震工程、深海工程、深地工程與環(huán)境、地質過程、材料制備等6個領域的科學研究。
在邊坡與高壩實驗艙，啟動極端氣候與環(huán)境模擬裝置，可以模擬暴雨，52分鐘實現(xiàn)一年四季濕度變化，像2013年云南鎮(zhèn)雄氣候環(huán)境作用下的大型滑坡這樣的事件就可得到再現(xiàn)。巖土地震工程實驗艙里的三向振動臺能同時在3個方向進行振動，能模擬出汶川地震中的拋射效應、蹦床效應，推動近場地震動研究的發(fā)展。深海工程實驗艙里的“油氣開采平臺”將接受大風大浪和海嘯的考驗，能研究鉆井平臺等海洋工程設施遇到的破壞機制。地質過程實驗艙能夠模擬百公里巖石圈歷時上百萬年的地質過程，再現(xiàn)青藏高原的隆起過程……
陳云敏介紹，“十二五”時期，浙大團隊就向國家提出了超重力離心機項目的規(guī)劃建議。項目正式列入《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規(guī)劃》后，浙江又積極申報項目落戶，項目建議書、可行性研究報告先后獲批。CHIEF建設地點位于杭州市余杭區(qū)未來科技城，建筑面積34560平方米，建設周期5年，項目總投資超20億元。
大科學裝置的研制處處充滿了創(chuàng)新，一切都需要重新摸索。“一方面要做到國際領先，一方面又要確保技術成熟，能順利產(chǎn)出成果。”陳云敏這樣闡釋CHIEF建設的高難度。對工程建設而言，光說“原理上行得通”是遠遠不夠的，必須要在技術上消除所有隱患。國內外許多企業(yè)參與建設這一項目，大量零部件都是為了CHIEF專門設計制造的，有一個不過關，裝置的科學目標可能就實現(xiàn)不了。陳云敏帶領團隊埋頭開展預研工作，在正式開工之前把可能碰到的技術難題都提出來，目前已經(jīng)列出了48項關鍵技術。
CHIEF能做哪些事
面向國家重大戰(zhàn)略需求
因為能夠利用超重力種種神奇效應，營造日常環(huán)境中不存在的極端物理條件，超重力離心機被視為一種“革命性的工程工具”。首臺超重力離心機于1931年在美國建成，世界上許多發(fā)達國家和高水平研究機構隨后競相投入建設超重力實驗裝置。目前世界上容量最大的美國陸軍工程師兵團離心機容量達到1200g·t。
浙大在超重力研究方面有著深厚基礎，2010年建成了容量400重力加速度·噸、最大150倍重力加速度的超重力離心機與機載裝置，稱為“ZJU400”，在巖土體地震液化、固體廢棄物填埋場環(huán)境災害防控方面開展了大量實驗，已取得一系列國際先進的科研成果。
已經(jīng)有了“ZJU400”，為什么還非建CHIEF不可?科學家們解釋說，容量對于超重力離心機至關重要，CHIEF瞄準1900g·t的未來世界最大容量，正是為了開拓科技前沿，解決國家重大戰(zhàn)略需求背后蘊藏的亟待探知的科學問題。
中國已經(jīng)吹響了“向地球深部進軍”的號角，深地開拓科技問題上升到國家戰(zhàn)略高度。楊樹鋒院士說，地球深部蘊藏著礦產(chǎn)、油氣資源，如何找到它們，研究其形成規(guī)律，長期缺乏有效的科學手段。2017年，我國在南海成功試采“可燃冰”，但要實現(xiàn)商業(yè)化開采，急需攻克千米級深海地層水合物相變多場相互作用機制及災變效應的科學難題。
研究地球內部物質的運移和演變，涉及時間跨度長、空間跨度大。“超重力‘壓縮時空’的效應大有用武之地，能幫我們做成多年來一直想做的事。”楊樹鋒說，我國的資源勘探正在向千米級深地進軍，對于百萬年、數(shù)百公里的地質構造和成巖成礦過程規(guī)律的研究，將為我們尋找合適的礦產(chǎn)資源提供精準指導。
新材料研發(fā)是高端制造業(yè)的基礎，合金材料的高通量制備及優(yōu)化篩選，將是我們研發(fā)戰(zhàn)略性新型材料的重要路徑。張澤院士對此深有感觸。我們多年埋頭攻關自己的航空發(fā)動機，很多材料平常狀態(tài)下表現(xiàn)優(yōu)異，制成渦輪葉片高速運轉后，性能卻大打折扣。“渦輪葉片就是在高溫、高離心力加速度的環(huán)境下工作的，我們此前長期缺乏這樣的實驗條件。”張澤說，利用大容量的超重力離心機，還能夠制備尺寸更大的高通量樣品，幫助我們更快更好地發(fā)現(xiàn)高性能材料。
污染物在地下環(huán)境中如何遷移?科學家考慮的不是一兩代人的時間，而是一萬年的尺度。我國大壩數(shù)量居世界之首，一旦潰壩將造成災難性后果。邊坡與高壩的防災減災，急需科學家來揭示300米級的高壩潰決和邊坡失穩(wěn)、滑動和流滑機理。我國還是世界上地震災害最嚴重的國家之一，發(fā)展高性能的抗震設計方法，關鍵的科學難題在于探索復雜場地的地震規(guī)律和巖土體致災效應。陳云敏說，在這些領域，CHIEF都能發(fā)揮它的“特長”。
浙江為什么需要CHIEF
有了金剛鉆，才能攬瓷器活
國家重大科技基礎設施著眼于提升人類探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)科技變革能力，它面向國際科技發(fā)展前沿，聚焦我國經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全戰(zhàn)略性、瓶頸性科技難題。它不僅催生一批世界一流研究成果，其建設過程還能鍛煉科研隊伍、研發(fā)關鍵設備，培育起能夠生產(chǎn)這些設備的高技術企業(yè)。
“有了金剛鉆，才能攬瓷器活。待這樣重量級的裝置落地，就能做一些別人做不了的大事，就能吸引愿意做大事的人。”張澤院士說。
環(huán)視長三角地區(qū)，就有上海張江、安徽合肥兩個綜合性國家科學中心。在這兩地，國家大科學裝置密集，匯聚了一批中國最頂尖的研發(fā)機構和研究團隊，有一些領域代表了全球一流水平。抓住科技革命的機遇，依靠原始創(chuàng)新引領技術變革和產(chǎn)業(yè)發(fā)展——這是許多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)正在踐行的發(fā)展戰(zhàn)略。
不創(chuàng)新不行，創(chuàng)新慢了也不行。要讓創(chuàng)新真正成為浙江發(fā)展最鮮明的時代特色。CHIEF落戶，將為浙江科技創(chuàng)新發(fā)展提供強大的源頭供給，發(fā)揮重要支撐作用。
同時，大科學裝置還是一個開放的平臺，可以讓我們在國際合作與競爭中更具話語權，是參與國際前沿科技競爭的利器。陳云敏介紹，建成后，25%的機時數(shù)用于浙江大學的各學科用戶，其余75%的機時數(shù)目將用于基礎研究用戶、國際用戶和企業(yè)用戶。項目還將開展國際平行試驗，發(fā)布超重力基準試驗，共享重大工程超重力試驗數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建多學科科普平臺，面向社會公眾開放和提供技術培訓。
