中国空间站都开始烤鸡翅了，离太空火锅还会远吗？

疯了吧

在距离地面 390 公里高度运行的中国空间站里，宇航员吃上了烤鸡翅。看着滋滋冒油、外焦里嫩的鸡翅，我们隔着屏幕都能闻到香味！此刻，吃货们的脑海中浮现了一个问题：既然烤翅已经安排上了，那么火锅还远吗？

空间站的航天员正在品尝新鲜出炉的烤鸡翅，可以看到嘴角已经压不住笑意了 | 央视新闻截图

 起锅，烧水！

在地球上，无论清汤锅、红汤锅，也不论涮羊肉、涮毛肚、涮菌菇，我们要做的第一件事——烧水，并且要让水沸腾起来。毕竟，火锅的精髓就在于那一锅沸腾翻滚的汤底。当食材接触到沸水的那一刻，高温均匀加热，蛋白质迅速变性，锁住鲜嫩的口感，同时吸收汤底的浓郁风味，一口下去，满满的幸福感。

吃火锅的快乐，不言自明 | 2022央视春节公益广告
那么，假如我们把场景转移到空间站上呢？还能轻松愉快地涮火锅吗？很遗憾，不能说困难，只能说……相当困难！哪怕是地面上可以轻易实现的烧开水，在空间站中也是一项巨大的技术活。
是因为不能生火吗？那不是主要原因。即便不能使用明火，我们还有电磁炉。是因为水无法烧开吗？那倒不是。我们知道气压越低，水的沸点越低。空间站是航天员生活和工作的地方，能提供适宜人类生存的大气压。
虽然舱内压力略小于一个标准大气压，通常为 81.3kPa～104.3kPa1，但至少水能在 90℃ 以上煮沸。实在不行，使用压力锅就可以达到 100℃ 以上的沸点了。
空间站里烧开水，真正的敌人就是太空基础环境——微重力。

太空微重力环境下，连火焰都会因为失重状态而变成球形 | 央视新闻 2023年9月天宫课堂、中国科学院力学研究所
我们先来看看地面上煮沸的过程是怎样的。我们通常在锅底进行加热，底部的水先热起来，密度随之变小，渐渐上浮；而上方的水温度低，更“重”些，会往下沉。如此循环往复，形成所谓对流现象。随温度升高，在并不完全平整的锅底，从缝隙中产生气泡向上浮。等温度达到沸点时，锅子底部的水先变成气体，形成气泡，气泡上浮至水面破裂，这就是我们看到的沸腾现象。对流与沸腾，是烧开水必须经历的过程。

水的热对流与沸腾原理 | 作者施韡AI绘图

但是，你有没有注意到，不论是对流还是沸腾，浮力在这中间起了相当重要的作用。在空间站里，重力几乎消失不见，与之相对应的浮力又从何谈起呢？而一旦没了浮力，一切就变得十分奇怪了。位于火锅底部的水最先变热，但是，它们并不会上浮，上面更冷的水也“懒得”往下沉。等到底部的水汽化变成气泡，却没有浮力把它们托上去，这些气泡会“赖在”火锅底部不动。它们会原位生长、合并，最终形成一层连续的、巨大的“蒸汽膜”。
气体的导热性很差，于是这层膜就好像一层保温毯，隔开上方的冷水和下方的热水，这就是“膜态沸腾”导致的传热失效。结果，锅的底部已经滚烫，而离它仅几厘米远的水，却还是凉凉的。

在地球正常重力（左）和微重力下（右）沸腾气泡，有明显的区别 | NASA

自从人类进入太空，苏联、美国、中国等国家都在太空做过微重力环境沸腾实验。例如国际空间站上利用沸腾实验装置（BXF）做过微加热器阵列池沸腾实验（MABE）和核态沸腾实验（NPBX）。中国在实践十号返回式卫星上开展过沸腾传热实验（SOBER-SJ10），揭示了低热流条件下池沸腾传热性能与气泡生长过程的基本特征。
在我们的空间站上，利用问天实验舱中的变重力科学实验柜，进行了持续 32 个月重力环境从空间站背景微重力到 2g 超重力条件下的沸腾传热与气泡热动力学实验研究，获得了系统、完整的科学实验数据。综合这些实验结果，我们发现实验条件稍作调整，沸腾情况就有着很大差别，微重力环境下的沸腾机制远比想象中复杂。

中国空间站上的变重力科学实验柜和安装在变重力科学实验柜离心机转盘上的变重力沸腾实验装置 | 杜王芳/刘鹏/赵建福《上中国空间站“烧开水”，揭示沸腾现象中的重力作用机理》 力学与实践 第44卷第6期 2022年12月

 玩“转”火锅！

那该如何解决空间站涮火锅的难题呢？首先要解决的核心问题是创造对流与控制沸腾。创造对流是为了把热量从“锅底”源源不断地带到整个锅体，让一锅汤的温度趋于均匀；控制沸腾则是处理气泡的产生与运动，使沸腾变得安全可控。
如何让汤水对流起来？我们不妨脑洞一下，在火锅底部装上“主动搅拌系统”，利用微型泵或磁力搅拌器主动循环汤底，模拟热对流，确保冷热液体充分交换。其次，还要考虑增加受热锅底至液面这个方向上的运动，目的是引导气泡到达液面破裂，从而避免局部过热和暴沸风险。

想象中的太空火锅，有点类似于食材搅拌机，想必也别有一番风味 | 作者旭岽AI绘图

另一个方案，既然空间站没有重力，那么我们能不能创造重力？我们可以将太空火锅做成一个圆柱形的滚筒，让整个锅子都转起来，再配以稍浓稠些的汤底，通过旋转产生的离心作用把汤水“压”在锅的底部。重力恢复了，浮力自然也就回来了。利用向心加速度公式 a = ω²r 简单作一计算，如果火锅直径约 40cm，要想得到 1g 的加速度，那么需要火锅以每分钟近 70 圈的速度旋转！看上去比较奇怪，好像在滚筒洗衣机里涮毛肚，但应该挺管用。

第二次天宫课堂上王亚平演示液桥实验 | 央视新闻
接下来还要解决具有仪式感的问题——如何涮。这也是安全问题，因为一旦我们夹着食材离开锅子，又将进入微重力环境，强大的液体张力又占据上风，会使滚烫的汤水附着在食物表面，这就会有烫伤风险。但你又不能用嘴巴去吹，因为火锅汤底比较油腻，是混合了醇类化合物、醛类化合物和脂类化合物等的挥发性有机化合物（VOCs）。一旦吹出很多细小液滴，散播在密闭的太空舱里，附着在仪器上，甚至渗入缝隙中会危及设备安全，也会滋长细菌。
因此，火锅还必须有多道安全设计。例如将“煮沸舱”和“食用舱”分开，在取用食材时有“缓冲地带”。再如，在火锅内部安装微型通风导管，将浓郁的小液滴和气体分子排解到净化器中。在火锅盖子附近增加吸油纸，取食材时可以顺便“擦”一下汤汁。这些多管齐下的“奇怪操作”目的就是尽量保证航天员和空间站安全、整洁。

结语   


太空涮火锅，这不仅是个小确幸，更是个大课题，其背后蕴含着一系列严肃的科学和工程问题。我们的讨论也远不够充分和严谨，离真正实现太空舌尖美味还有很大一段距离。但放眼未来，或许有朝一日，伴随着人类步伐向深空迈进，窗外群星闪烁，围坐火锅翻腾，不再是奢望。这份跨越星辰的烟火气，是人类征服太空的豪气。




参考文献
[1]中国载人航天办公室《中国空间站科学实验资源手册》2019年4月https://www.cmse.gov.cn/gfgg/201904/P020200225328481496691.pdf




策划制作
来源丨上海天文馆（id：SSTM-SAM）
作者丨施韡 上海科技馆天文研究中心、王国鑫 上海天文馆展教中心
审核丨林清 上海科技馆天文研究中心
        孙明轩 上海工程技术大学教授 中国科普作家协会会员
责编丨何雨濛 甄曦
审校丨徐来、张林林

lovejuan0104

@元宝 兄弟，太空火锅咋搞