实现“时空压缩”：我国超重力装置可将百年演化“缩时”至数天

最近，位于浙江杭州的国家关键科技基础设施——超重力离心模拟与实验平台正式开启了其首台离心机的主机运行。该平台能够构建出远超地球重力数千倍的“超重力环境”，并由此产生“时空压缩”现象，为众多科研工作提供重要的技术支持。

浙江大学负责构建的超重力离心模拟及实验设施，涵盖了三台核心离心机，并配有18套设备，分布于边坡及高坝、岩土地震、深海、深地工程与环境、地质演变、材料制备等六个实验舱。

本次启动的首台离心机“CHIEF1300”容量为1300g·t(重力加速度·吨)，是目前世界上容量最大的离心机。此外，容量为1500g·t和1900g·t的两台离心机“CHIEF1500”和“CHIEF1900”正在紧锣密鼓地安装建设中。

为什么要建设超重力离心模拟与实验装置?

地球重力场的加速度约为9.8米/平方秒，称为常重力场，超过这个数值就称为超重力场。例如坐过山车时人承受的最大加速度会达到常重力的2倍，航天器发射时加速度可达常重力的4至5倍，太阳上的重力场是常重力的28倍，而超重力离心模拟与实验装置离心机主机的超重力最大将达到常重力的1500倍。

“超重力场中，科研人员在实验室中能以很小的尺寸、极短的时间，再现真实世界中的重大灾难、地质演化、极端环境。”超重力离心模拟与实验装置首席科学家、浙江大学教授、中国科学院院士陈云敏说。

例如，在100倍常重力的实验中，100米的真实物体可以“缩尺”至1米，100年的污染物迁移过程可以“缩时”至3.65天。这种“时空压缩”效应，将为国家重大科技任务开展、重大工程新技术研发和验证、物质科学前沿发展等方面提供关键支撑。

“超重力场”如何实现?

“CHIEF1300”的主机室是一间占地约230平方米的圆形地下室，位于中央的离心机就像是一个能够高速“自转”的巨型“天平”。

工作时，半径长约6.4米的转臂将带动实验装置高速旋转，速度越快，离心力越大，当离心加速度超过地球常重力，就形成超重力场。目前，该离心机的超重力场已调试运转至验收指标，可实现常重力的10倍到300倍。

“为了令装置提供丰富且稳定的超重力环境，更广泛地支持不同学科的需求，我们特别采取了深基坑、低气压机室、液冷壁技术等一系列方案，保障主机的高质量运行。”超重力离心模拟与实验装置总工程师、浙江大学求是特聘教授凌道盛说。

超重力离心模拟与实验装置如何推动研究发现?

据介绍，该设施是将超重力场与极端环境叠加一体的大型复杂科学实验设施。18台机载装置覆盖深海深地资源开发、防灾减灾、废弃物地下处置、新材料制备等多个领域。

在一系列深入而细致的预研实验中，研究人员们取得了丰硕的成果。在深海高压温控实验装置中，他们成功复现了2000米深海的水压环境，并针对深海海床中可燃冰的开采安全性进行了详尽的试验研究。此外，在超重力振动台中，研究人员模拟了强震的地质危害，从而验证了水电站坝基在强震条件下的抗灾设计能力。 在造波、造啸及重力流实验装置中，他们推演了高达4米的海浪和20米的海啸与海床之间的相互作用，这一研究为海上风电场的选址提供了宝贵的参考依据。而在超重力定向熔铸炉中，研究人员成功制备出高铁接触网导线材料，这种材料具有缺陷少、强度高、延伸率大等优异性能，为我国高铁建设提供了强有力的技术支持。

陈云敏表示：“在这个超越常规重力的领域中，景象尤为迷人!”他进一步阐述，该超重力离心模拟与实验装置旨在打造一个开放且共享的国际顶尖科研平台，热切期望与全球最卓越的科研团队携手合作，共同为全球科学研究的不断进步和创新发展提供源源不断的动力。