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【中科创星】从生命起源到登陆火星,火星探索科学团共赴追光之旅
2021-05-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

来源:中科创星微信公众号  发布日期:2021-5-15

  【导语】5月7-8日,“火星探索科学团”成员刘慈欣、傅成玉、魏勇、王倩、米磊等多位嘉宾齐聚“硬科技之都”西安,走进西北大学、中国航天科技集团六院、中国科学院西安光学精密机械研究所、西科控股硬科技企业社区等地,进行了一场为期两天的“火星探索”顶级科学思享会。

  火,驱散黑暗,照亮鸿蒙; 

  光,带来温暖,点亮未来。 

  5月15日,我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上首次留下中国印迹,迈出了我国星际探测征程的重要一步。后续,祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。“天问一号”任务实现了我国首次地外行星着陆,是中华民族复兴之路上的一件盛事,也是我国行星科学和空间科学发展历程中的一座里程碑,标志着我国开启了全球“深空探测”的新纪元。

  近日,我国关注火星探索前沿工作的知名科幻作家及顶尖科学家齐聚“硬科技之都”西安,走进西北大学、中国航天科技集团六院、中国科学院西安光学精密机械研究所、西科控股硬科技企业社区等地,进行了一场为期两天的“火星探索”顶级科学思享会。

  本次“追光之旅:火星探索科学团”由中科创星创始合伙人、硬科技理念提出者米磊发起,邀请到中石化原董事长、十二届全国政协常委、高级经济师傅成玉,科幻作家、高级工程师刘慈欣,西北大学党委书记王亚杰,航天科技集团六院党委书记刘志让,中国科学院西安分院分党组书记、院长赵卫,中国科学院西安光学精密机械研究所所长马彩文,“天问一号”首席科学家助理、火狐体育下载链接副所长魏勇,中国国家航天局探月与航天工程中心科技质量处处长王倩,科幻作家、西安交通大学人文社会科学学院副教授夏笳等多位嘉宾共同探寻生命的演化、还原科学的真相,揭秘技术的洞察。

  移民火星——你是否了解地球上 

  第一个生命绚丽绽放的时代? 

  随着“天问一号”探测器的成功着陆,人们对深空探测特别是对火星探测的兴趣愈发浓郁。我国发射“天问一号”的科学目标,主要是探测火星地形地貌、火星磁场、地下水、土壤成分和分布、火星大气层以及气候变化。从国际范围来讲,探测天体六个主要研究课题是:识别有机化合物的非生物来源;生命起源中大分子的合成和功能;早期生命和不断增加的复杂性;生命和物理环境的共同进化;识别、探索和表征适合居住和生物特征的环境;构建宜居的世界。

  从宇宙大爆发到人类文明的开端,地球的洪荒岁月穿越了46亿年。宇宙的诞生、太阳系的形成、地球的起源到文明的出现,而寒武纪的生命爆发,是地球上第一个生命绚丽绽放的时代。我们探索宇宙中的任何星球,主要的目的有两个:第一是其他星球上是否有生命的存在;第二是其他星球是否适合地球上的高级生命居住。

  追光之旅第一日上午,“火星探索科学团”前往了本次参访追光之旅的第一站——西北大学,来探索生命最初的起源。西北大学党委书记王亚杰、西北大学地质学系主任张志飞分别为大家介绍了西北大学及西北大学地质学系的概况;随后,西北大学地质学系教授为大家带来了关于《揭秘寒武纪生命大爆发》的主题分享,生动的介绍了古生物学家如何揭示寒武纪生命大爆发的多样性,并从地球化学的角度,还原了当时的真实环境。

“火星探索科学团”到访西北大学

 

参观西北大学博物馆

  西北大学地质学系教授刘建妮:

  了解生命起源是探索未来的根本

  寒武纪生命大爆发在地球演化历史不到1%的时间内,诞生了绝大多数的动物门类。绝大多数意味着什么?现生的动物门类有38个,在寒武纪大爆发时期的化石,人类已经发现了20个,这20个动物门类里面,发现了280多个属种,其中最具代表性的是——有“天下第一鱼”美称的昆明鱼,只有两公分长的昆明鱼,是所有脊椎动物的祖先。西北大学地质学系早期生命与环境创新研究团队发现了昆明鱼化石,将整个脊椎动物的历史向前推进了近5000万年;除了昆明鱼,团队还拥有古虫动物门、棘皮动物的始祖、节肢动物的起源等多项标志性的成果,还原了寒武纪生命大爆发的基本面貌。

  达尔文在完成《物种起源》时,有一个问题一直觉得很费解,那就是5.4至5.3亿年前古生代之初的早寒武纪生命突然爆发的奇特现象——许多动物突然出现在化石记录中,而在早期的岩层中却没有找到明显的祖先,这也可称为“达尔文之惑”。经过了近十年的研究,西北大学团队发现了诸多动物高阶元演化的过渡类群的可靠代表,这些重要科学发现使团队揭示了动物三大亚界关键门类的起源和演化关系,实证了前寒武纪与寒武纪之间动物演化的连续性,证明了寒武纪生命大爆发是由量变到质变、依次发生门类爆发,寒武纪大爆发过程的阶段性和连续性这一结论,初步解决了达尔文当年面临的难题。

  目前,西北大学早期生命与环境创新研究中心已经成为国内外攻克寒武纪生命大爆发这一重大科学难题的科研高地;同时,团队还热衷于公益科学普及工作,希望能把科学的种子种在青少年的心里面。

  未来,关于寒武纪生命大爆发的研究还将持续深化,激发大家的好奇心以及探索生命起源的热忱。

  液体动力、深空探测, 

  你想知道的都在这儿 

  追光之旅第一日下午,“火星探索”顶级科学思享会在航天科技集团六院(以下简称“航天六院”)液体火箭发动机技术重点国防实验室开讲。航天六院是我国液体火箭发动机研制中心,由六院研制交付的78台各型发动机,推举长征五号遥四运载火箭,助力天问一号探测器,将液体动力的贡献贯穿全程,在浩瀚宇宙中书写出一个又一个新的奇迹。

“火星探索科学团”到访航天六院

  航天六院党委书记刘志让在开场致辞中提到“当前,要紧抓深空探测难得的发展机遇,在继承中创新、在创新中发展、在发展中融合,共同书写好中国航天发展的新篇章。”随后,与会嘉宾共同研讨“火星探索”相关领域的科学问题、研究方向及工程实践,共同促进深空探测的技术融合和创新发展。

 

  航天六院科研生产计划部部长王愿宁:

  液体动力助力“飞天梦”、“奔月梦”

  液体火箭发动机是通过自身携带的推进剂作为供热一个喷气式发动机,它通过化学能量的转化,把各种不同形式的能量转化为动能,形成高速射能产生推力的装置。通常有推力式、燃烧式,包括推进剂过滤系统、组装元件等组成。液体火箭发动机以液体化学物质作为推进剂,研制过程深度融合了燃烧学、结构力学、流体力学、材料学等多学科,是能量密度最高的复杂动力系统,系统和结构非常复杂。每一台发动机配套的零件要达到上万件,工作环境也非常严酷,比如补燃循环发动机,其燃烧室的合乎温度要达到3000摄氏度以上,也有零下200多度的低温工作环境,工作压力非常高。同时,发动机的燃烧压强达到几百个大气压,热流密度大,还包括无人泵等很多大功率的部件,技术难度较大。另外,发动机本身还是整个火箭的主要的震源,结构动力学特征复杂,对可靠性要求也很高。可以说,发动机是整个火箭技术风险最大的部分。

  航天六院承担着包括常规运载火箭、新一代运载火箭、航天器及卫星等70多个型号动力系统的研制任务,已应用的发动机推力范围从10mN到1200kN ,应用的范围从火箭助推器、一级、二级、三级、上面级发动机到轨资控动力系统、空间飞行器推进系统。截至今天,航天六院的动力支撑了长征系列运载火箭完成了369次发射,配套的液体火箭发动机参与了东方红一号、第一颗返回式卫星、第一颗静止轨道试验通讯卫星、第一个载人运载火箭的发射,为载人航天、探月工程、北斗导航为代表的一系列重大工程任务顺利实施提供了坚实的动力保障,也为实现中国人的“飞天梦”、“奔月梦”做出了应有的贡献。

 

  中国国家航天局探月与航天工程中心

  科技质量处处长王倩:让更多人与中国航天相遇  

  目前,人类对于火星的认知有了质的飞跃。火星探测是能够充分展示科技实力的领域,它的突出特点就是:任务周期长、投入大、风险大。各国探测火星的次数都极为有限,美国的阿尔忒弥斯计划实施载人登月,是延续美国战略政策的重要筹码,在航天领域保持绝对领先,为未来的载人登火做技术验证。

  这些年探月中心开展了一系列的公益科普活动:2007年,原国防科工委联合中央电视台、中国音乐家协会,通过公众投票选取了30首歌曲,搭载到嫦娥一号上,到月球之后通过电线电波的方式传回地球;为嫦娥三号的月球车进行全球征名,一共收到19.31万件的命名方案,通过广大网友的投票,最后“玉兔号”高票胜出;嫦娥四号率先开展了广泛的国际合作,荷兰、瑞典、德国、沙特都是我们的合作伙伴;为激发藏族青少年的爱国热情,去年探月中心联合西藏教育厅、西藏科协,邀请了西藏的青少年代表,到文昌发射基地观摩了嫦娥五号发射任务;还有一些大家耳熟能详的名字,比如“揽星九天”、“天问一号”、“祝融号”,都是通过在深空探测公益科普活动中选定的名称。

  探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。未来,希望有越来越多的机构和热心人士投入到公益科普事业中来,共同为提升全民科学素养贡献一份力量。

 

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  纳米离子探针实验室主任杨蔚:火星资源利用是“科幻成真”的关键  

  在近10年内,火星的资源很有可能走向实际应用。近期“毅力号”的动态备受关注,毅力号MOXIE载荷,在火星上成功制备5.37克的氧气,可以满足一位宇航员呼吸10分钟,这是人类第一次在地外实现资源利用。值得畅想的是,未来可以通过制氧来满足载人火星任务的返回燃料的需求。

  氧气制备的原理是固体电极电解的反应。火星大气里面95%是二氧化碳,它把二氧化碳电解成一氧化碳和氧气,这是一个大规模的吸热反应,要用800摄氏度的高温。其中的关键技术是,如何让材料耐高温,以及如何与外界保持隔热,在未来两年,毅力号还需要做9次这样氧气的提取试验。

  地外资源利用这个概念已经提出了40多年,对于火星的资源利用,主要是获取大气中的二氧化碳和土壤中的水,制备氧气和甲烷。但相关技术的进展一直很缓慢,主要是因为需求不紧迫。

  随着载人火星任务提上日程,火星的资源利用也将进入告诉发展的阶段,因为在火星上氧气和甲烷作为燃料,将大幅降低成本。目前来看,美国的技术储备是领先的,这主要是因为美国政府立法鼓励企业参与,而且大量企业已经进入了这一领域。这对于我国这一领域的发展具有重要的借鉴意义。

 

  中国科学院西安光机所副研究员闫兴涛:

  国内外火星探测光学载荷对比及未来趋势展望

  人类探测火星的主要科学目标主要有五个方面:第一是火星大气特征和气候变化的研究;第二是火星地形地貌、地质构造的研究,这也是与光学载荷最直接相关的领域;第三是火星的物理场和内部结构的研究,一般是通过激光诱导光谱、磁强计、探测雷达等来实现;第四是火星上水和生命信息的探测;第五是火星上科学观测站点和实验室的建设,美国“好奇号”搭载的制氧装置就属于这个范畴。

  通过详细对比美国“好奇号”与“毅力号”搭载的光学载荷及其功能特点,“毅力号”上的变焦相机、LIBS拉曼光谱仪及“机智号”无人机相机等多项技术都是人类火星探测史上首次使用的。目前我国的“天问一号”火星探测器正在轨飞行,它包括一个环绕器,一个着陆器(火星车),将一步实现火星“绕、落、巡”三个目标。其中火星环绕器搭载的光学载荷包括一台中分辨率相机、一台高分辨率的相机和一台火星矿物光谱分析仪;“祝融号”火星车搭载的光学载荷包括一台多光谱相机、一台地形地貌相机和一台火星表面成分探测仪,这样的载荷配置及其功能参数也达到了国际领先水平。

  在火星环绕器上,西安光机所承担了中分辨率相机光学镜头研制,这台相机具有超大视场,可对火星表面进行彩色成像,绘制火星全球遥感影像图,具备在轨的自动调节曝光时间的功能。

  在“祝融号”火星车上,西安光机所承担了多光谱相机的研制,其主要科学任务就是获取着陆区及巡视区高分辨率图像,通过桅杆转动完成着陆区及巡视区周围的全景成像,通过多光谱成像获取火星表面元素及物质类型分布,通过动态摄像记录火星气候事件(比如沙尘暴)过程。

  未来火星探测光学载荷的需求趋势应该是“更高、更轻、更智能”。更高指的是高的空间分辨率以及光谱分辨率,更轻指的是集成化和轻量化,更智能指的是载荷的自主控制程度与环境自适应性更强。相信随着光学技术的发展,这些功能需求都可以逐步实现。

当“硬科技”遇上“硬科幻”, 

我们一起探索世界 

[video:火星探索团_刘慈欣寄语“硬科技]

刘慈欣寄语“硬科技” 

  追光之旅第二日,“火星探索科学团”思想激荡之旅持续升温,分别参访了中国科学院西安光机所、陕西光电子集成电路先导技术研究院以及西科控股硬科技企业社区。在中国科学院西安光机所,马彩文所长对“火星探索科学团”一行嘉宾表示了热烈的欢迎并为大家详细的介绍了西安光机所的历史沿革与技术发展近况。

“火星探索科学团”到访西安光机所

 

硬科技企业社区“曲率引擎”办公楼前合影

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  副所长魏勇:行星科学是我们要一起去“创”的“业”  

  火狐体育下载链接是中国空间科学的发源地,也是行星科学的发源地。“深空探测是国家战略,行星科学就是我们要创的业”,魏勇副所长说。

  魏勇担任天问一号首席科学家助理,他深刻地知道国家深空探测战略的需求是什么。深空探测跟行星科学、火箭、卫星都是什么关系?火箭是船、是梯子,深空探测器是眼睛,科学家是灵魂。我们缺的是什么?就是灵魂。发展行星科学,就是要为中国持续培养高水平的行星科学家,服务国家深空战略需求。

  创业到现在,中国的行星科学已经具备雏形了。未来怎么发展?《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出:“要持之以恒加强学科基础研究,对企业基础研究投入实行税收优惠,鼓励社会以捐赠和建立基金等方式多渠道投入,形成持续稳定投入机制”。2021年4月19日,习近平总书记视察清华大学时指出:“要坚持中国特色社会主义教育发展道路,充分发挥科研优势,增强学科设置的针对性,加强基础研究,加大自主创新力度,并从我国改革发展实践中提出新观点、构建新理论,努力构建中国特色、中国风格、中国气派的学科体系、学术体系、话语体系的学科”。

  未来,对于一起“创”的“业”,魏勇有一些假设和期望:建设中国特色的行星科学教育体系,从中小学到研究生全链条的体系,给他们幻想、梦想和理想。把这个幻想、梦想和理想加起来就是思想,培养有思想能力的人,这才是教育行业要培养的人。

 

  中科创星创始合伙人、硬科技理念 

  提出者米磊:未来三十年是硬科技的黄金时代  

  人类有大脑之后,从技术的演化到今天科技的诞生,都是一脉相承的。按照热力学第二定律来说,始终是在熵增的,大家可以把它当作一个地球系统,这个系统分成三大部分,第一部分是知识系统部分,第二是经济系统,第三部分是社会系统,用这个可以解释很多社会现象。

  地球面临的问题是什么?如何减少熵增,只有引入新的知识能够减少熵增,现在地球陷入了中美贸易战,本质上就因为上一轮科学革命给人类地球带来了秩序和我们的熵减遇到了瓶颈,不带来新的持续,地球就会变得越来越混乱,就变成了熵增。现在之所以要探索外太空,是因为地球上资源是有限的,地球上的资源如果不能够支持新技术的发明,就不可持续。所以,人类这个系统要想生活得更好,就要不断引入新的知识、不断进行科学创新;同时,要从外太空、外行星引入新的资源、新的各式各样的元素和矿产资源,这样才能保证系统可以持续下去。

  前三次工业革命都是能源、信息、交通的革命,欧洲第一次工业革命实际上很重要的就是博尔顿投资瓦特,有了蒸汽机,一起催生了这样的工业革命,从能源、交通、信息领域看,当时重要基础设施的诞生,这个对人类变革有着巨大的影响。第二次工业革命实际上以电气化革命、石油和内燃机的革命为主的,诞生了很多新的技术,包括发明电灯、汽车、无线等,在三个领域产生了巨大的变革;风险投资是伴随着第三次科技革命诞生的,为了解决科技成果产业化的问题出现了全球第一家风险投资公司,从历史来看,金融的变革都伴随着工业革命而诞生的,金融是要为科技服务。

  20世纪的新四大发明全部诞生在美国,这是美国今天为什么是世界强国的原因。2008年全球金融危机后,我国经济增长发展面临着巨大压力,带动经济发展的人口红利也正逐渐消失,急需科技创新作为有效支撑驱动发展。加上受硬科幻题材《三体》的启发,在2010年,中科院西安光机所米磊博士提出了“硬科技”概念,他认为需要营造一种新的理念和思想让大众熟知,继而引导社会大众全面转向科技创新,改变中国以往“重”模式创新而“轻”技术创新的现状,引导人们关注那些真正能够推动经济发展,需要长期研发投入和持续积累的关键核心原创技术,进而凝集全社会力量去攻关硬科技、掌握硬科技、发展硬科技,支撑中国新时期经济快速高质量发展。硬科技为什么这么重要?因为它契合全球所处的重大转折点中,有三个深层原因。

  一是科技创新每60年会有一个拐点,意味着每一轮科技创新的周期是60年。这表现在经济上是康波周期,有4个阶段——复苏、繁荣、衰退、萧条。本质上,当科技创新处在上升轨道的时候,经济繁荣;当科技创新遇到技术瓶颈,进入创新S型曲线的平坦期,经济便下滑,走向衰退。现在全球正处在上一波康波周期的萧条期。

  信息化革命是从上世纪60年代发明集成电路开始的,到现在也刚好六十年左右。我们正处在科技创新的转折点上,未来的解决方案和出路是新一轮的科技革命,这就是硬科技。

  二是中国每30~40年有一个经济发展拐点,现在正处在一个大的转折点,从过去的要素驱动、投资驱动转向创新驱动,从人口红利转向创新红利,从工人红利转向工程师红利,从模式创新到科技创新。

  三是从全球格局来看,每100年左右就有科技中心的转移。这是日本学者汤浅总结的现象。美国前国务卿基辛格说,全球每一百年有一个大国崛起。美国从二战之后到现在已经快一百年了,现在处在一百年的拐点。

  总体而言,这三个重大转折点都指向一个关健词——硬科技,未来三十年中国发展的关键点就是硬科技。

 

  科幻作家、高级工程师刘慈欣:

  科幻不是预测未来,超车需要创造领域

  科幻文学作品为很多人开启了科学探索大门,但作为科幻迷、科幻小说作者,刘慈欣坦言“米磊博士把科幻摆到顶上,甚至摆到硬科技和黑科技之上,作为科幻迷、科幻小说作者,我当然希望科幻能到这么高的高度,但是说实话,科幻在我们心中是一个大众文学,它可能摆不到那么高的位置。”

  他认为,从科幻的思路来看给人一种恐惧感,在整个工业革命以后、科学革命以后,人类对未来的预测没有一次是对的,这个是很让人恐惧的。科幻小说家做的不是预测未来,而是排列可能性。我们往往倾向于排列最不可能的东西,是把所有可能性都排出来了,排出来总有一个是正确的,就像一个不走的表一天可以对两次,这个机率就够高了。

  中国要进入“硬科技”时代,面向未来我们要创造新的领域,不能单纯只在现有的领域追赶。我们必须要提升全民族创新型思想、创新型思维方式。同时,像米磊博士说的,这需要很漫长的时间以及很坚韧的耐心。

  

【结语】 

  科幻的价值在于提升全民的想象力,现在整个社会需要的是想象力和创造性思维。持续了两天的追光之旅-“火星探索”顶级科学思享会暂时告一段落,而关于科学研究、科普教育、科技成果转化、科幻创作的思想碰撞将永不停息,共同为了解生命起源、探索宇宙奥秘、增进火星演化认知等贡献智慧和力量。

 
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