浙大牽頭建世界最大超重力實驗裝置：一天模擬上千年

最近，浙江大學牽頭建設的國家重大科技基礎設施——超重力離心模擬與實驗裝置（CHIEF）項目可行性研究報告獲得了國家發展和改革委員會批複。這也是浙江省建設的首個國家重大科技基礎設施項目。

該項目選址杭州余杭區未來科技城，建設時間為5年，佔地約89畝，總投入將超過20億人民幣。

什麽是超重力離心模擬與實驗裝置？它有什麽作用？

為了揭開這高大上設備的廬山真面目，錢報記者來到浙大紫金港校區，專訪了負責該項目的陳雲敏院士團隊，並獨家參觀了實驗裝置。陳院士是浙大建築工程學院的教授，也是該項目的首席科學家。

原來，這套高科技設備具有“壓縮時空”的神奇功能，它能讓研究人員“跨越時間”，用一天模擬一千年，還能在實驗室裡“跑高鐵”！

什麽是超重力

它能壓縮時空，一眼萬年“浙大的這個CHIEF，是‘國家重大科技基礎設施’，那是指大型複雜的科學研究裝置或系統，是能推動國家科學和技術發展的‘國之重器’。和CHIEF同樣級別的裝置，還有北京正負電子對撞機、上海光源、天眼FAST射電望遠鏡等等。”陳雲敏院士介紹。

CHIEF項目是“十三五”時期優先建設的10項國家重大科技基礎設施項目之一，也是在浙江省建設的首個國家重大科技基礎設施項目。

朱斌教授是該項目的副總工程師，他向記者介紹了和超重力相關的知識。

地球表面的任何物體都會受到地球重力的作用，人能夠站立在地面上，物體會下落，都是重力的原因。

科學家們把地球上的重力叫做常重力，用1g（重力部門）來表示，大於1個g的就叫超重力。比如航天員乘坐飛船返回地球時，會受到4個g的超重力，相當於承受了4個自己的重量。

在超重力環境下，會發生一些神奇效應。因為這些神奇效應，科學家們可以完成很多在常重力環境中難以完成的實驗。

首先，超重具有“縮尺”作用。朱斌打了一個比方，“舉個例子，想知道100層樓高的房子對地基的影響，那麽我們只需要造1層樓高的模型，將它放在100個g的超重力作用下，這時，1層樓對地基的影響效果，就相當於常重力下100層樓對地基影響的效果。這就是縮尺作用。”

超重力場中還存在“縮時”效應，科學家們可以利用這點極大地縮短實驗時間。

陳雲敏院士給記者舉了一個例子。如果在超重力離心機上搭載土體汙染物遷移實驗裝置，就可以模擬汙染物在地下大尺度、長歷時的運移。如果在現實中研究汙染物的遷移，需要花費幾千年，但在超重力場中模擬實驗，可能只需要一天的時間，可謂“山中方一日，世上已千年”。

超重力有什麽用

可以在實驗室裡“跑高鐵”

超重力的“縮時”和“縮尺”等效應，可以讓研究者做很多現實中無法操作的實驗。而想要產生一個超重力場，就需要超重力離心機。

CHIEF就是這樣一個超重力裝置。在CHIEF預研階段，浙大團隊就利用超重力，做出了不少成果，比如“高速鐵路列車運行動力效應試驗系統”。

這個系統的設計是為了控制高鐵在我國東南沿海深厚軟土地區運行時的沉降。

怎麽做實驗呢？在現實中，不可能真的在東南沿海修一條軌道、造一輛高鐵去研究，這需要花費巨大的金錢和時間成本。但是利用超重力環境中的縮尺、縮時等效應，便可以用一個小的模型來模擬現實中高鐵的運行，來研究和驗證各種方案。

CHIEF預研實驗就提供了這樣的條件。這個“在實驗室裡跑高鐵”的項目後來入選了2017年度“中國高等學校十大科技進展”。陳雲敏院士說，“CHIEF研發出來可極大拓展我們的試驗研究能力，做原來沒法做的試驗。”

該項目選址杭州余杭區未來科技城，建設時間為5年，佔地約89畝，總投入將超過20億人民幣。建成後，它將填補我國超大容量超重力裝置的空白，成為世界領先、應用範圍最廣的超重力多學科綜合實驗平台。

目前，世界上離心機最大容量為1200g·t（重力加速度×噸），而CHIEF容量將會達到1900g·t。它是一個構建從瞬態到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質運動的實驗環境的“大家夥”。

記者現場探訪

超重力離心機長啥樣

那麽，CHIEF到底長什麽樣子？它是怎樣產生超重力場的呢？

此前，浙大已經建成一個“迷你版”裝置ZJU400，它在浙大建工實驗大廳的地下室。陳雲敏院士帶錢報記者近距離觸摸了這個裝置。

這個圓形地下室佔地約50平方米，裡面有且僅有一個天平狀的機器，並佔據了整個房間。陳雲敏院士指著機器向記者介紹，這就是ZJU400，它的“手臂”有4.5米長，兩個轉軸上各搭載了一個邊長1米的正方體實驗艙，實驗艙的最大負荷有3噸。在它轉動到一定速度後，實驗艙在離心力的作用下，艙內的超重力場就生成了。這是一台離心加速度可達到150倍重力加速度的離心機。

未來的CHIEF的轉臂半徑可達9m，實驗艙是3m，最大負荷可達32噸，是它的10倍。ZJU400可以說是一個微型CHIEF。

為什麽要把機器放在地下室？這主要是出於安全考慮，“因為離心機上面搭載的吊籃會高速旋轉。”

“不過，在高速旋轉的環境中，人是不能在實驗艙內操作實驗的。”陳雲敏院士解釋，實驗艙內有機械手臂，它們所有的動作都是在中央控制台的控制下進行的。在這個地下室裡面安裝了很多傳感器，能把檢測到的信號和數據傳輸到控制室。

既然已經有迷你版，為什麽還要建設CHIEF這個如此龐大的超重力離心機呢？

“日常生活中，我們用的洗衣機也有很大的離心力，在醫學實驗裡使用的離心機設備的離心力更大，但是它們都有一個缺點：所能負荷的東西少，抗不平衡能力差。”陳雲敏院士說，“所以我們研究的核心就是在高速的離心加速度上增加它所能承擔的重量。”

早在去年一月份，CHIEF項目建議書就獲得了國家發展和改革委員會的批複。在這一年多裡，浙大的科學家團隊做的是“找茬”的預研工作，在正式開工之前，把可能碰到的技術難題都提出來。

“如果把超重力離心機主機比作一個挑著扁擔在轉圈的人，那麽如何讓他不‘暈頭轉向’，就是在預研階段要解決的難題。”陳雲敏院士說。