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Supelco®产品在太空中的应用

和旅行者1号一起超越太阳系的边界

40余年里,第一代碳分子筛Carbosieve始终是旅行者号探测器收集科学数据的得力助手。作为Supelco®产品系列的首个“宇航员”,为公司的多个其它产品的开发创新奠定了基础。

旅行者号太空探测器之一

旅行者号太空探测器之一(来源:NASA)

当旅行者1号的传感器发出警报时,位于加利福尼亚州帕萨迪那的NASA喷气推进实验室里人声鼎沸、欢呼雀跃:因为这个太空探测器已经多年未传回任何异常信号了。之后在2012年8月25日,它便探测到太阳风微粒骤降一千倍,宇宙射线中的星际粒子浓度则上升了将近百分之十。显然,旅行者1号已穿过太阳系的边界,即日球层顶。

这是人造物体飞离地球最远的距离。这是见证历史的时刻,但并不独属于NASA。太空探测器上还搭载着一个由宾夕法尼亚州贝尔丰特的Supelco®团队设计的产品。“碳筛至今万无一失,我们深感自豪,”科技公司Merck粒子设计组的组长William “Bill” R. Betz表示。

碳分子筛已经连续工作了40年

旅行者号上的Carbosieve显微图像

旅行者号上的Carbosieve显微图像

在旅行者1号发射40年后,研发于上个世纪70年代早期的特色碳分子筛仍然发挥着举足轻重的作用,为我们收集重要的科学数据,帮助我们拓宽对太阳系的认知,满足人类固有的对宇宙本质的好奇心。第一代Carbosieve系列也为Supelco®产品系列碳基吸附剂领域的各种创新开辟了道路。

如今,初代Carbosieve系列中的高科技材料还用作气流计中的收集介质,或用于提高固相萃取硬件填料、吹扫捕集系统和气相色谱柱的效率。这位旅行者号初代乘客的后代们如今依然在用于净化气体或液体以及从反应混合物中分离合成化合物,

这些和初代Carbosieve产品相同的用途。但相比于现在的技术水平,初代Carbosieve的选择性更少、动力学更差,还仅局限于在表面粘合氧、氮、或二氧化碳等相对较大的分子。

找到适用于极小分子的吸附剂

NASA一直在为旅行者1号及其姐妹号旅行者2号寻找可用于极小分子的有效吸附剂。因为科学家们重点关注的是在宇宙大爆炸中产生的元素:氢及其同位素氘和氚以及氦气和锂-7的同位素。旅行者号的任务还包括通过探测氢同位素比值来验证大爆炸理论,这在1966年是很前沿的研究。

研究人员明白,之前在执行此类太空任务时所用的碳涂覆聚合物微珠已难堪大任。鉴于当时Supelco®产品系列已经在开发吸附材料领域名声大噪,因此NASA致电Bellefonte,咨询是否有哪种吸附剂既能适用于上述元素分子,又有足够的稳定性可以承受泰坦半人马座火箭发射时产生的强烈振动力。

突然接到NASA的来电...

Betz回忆道,时至今日,老员工们还会谈起那天的来电和总部同事们震惊的表情。毫无疑问,Supelco®团队交出了让人满意的答卷。当时Carbosieve产品设计的平均孔径已经缩小到0.7纳米,足以吸附小分子。此外,其碳分子筛粒子的纯度高、吸附性强,且无老化迹象:“吸附剂可以承受超过1100巴的巨大压力而无任何损坏,”Betz表示。

也就是说,理论上它可以用在11000米深的马里亚纳海沟底。这是能证明Carbosieve是NASA明智之选的第一个地方——毕竟,空间中的严苛环境与深海相似。当时,宇航局买下五克吸附剂,开始测试。“这算不上一个大生意,”Betz笑着说。“但能够支持NASA探索宇宙是我们莫大的荣幸。”

为研究太阳系中的化学成分提供洞见

如我们今天所知,旅行者1号和2号的确创造了科学奇迹:他们一共发现了22个卫星,三个围绕木星和土星,十个围绕天王星,六个围绕海王星。此外,通过将Carbosieve作为太空探测器质谱仪中的收集介质,他们还新发现了木星、天王星和海王星周围的其他光环,让我们对行星大气层的化学成分有了深入了解。Betz还记得关于氢同位素的第一个数据。“真是太激动人心了。”

然而,Supelco®的专家们更想为NASA团队定制碳分子筛。毕竟,充满好奇心地迎接科学挑战,并不断想方设法攻克难题直到获得客户的满意,一直都是Supelco®分子设计团队的专长。

开始长期合作

我们要说的是:这不是NASA给Supelco®团队拨打的最后一通电话。分子设计团队不断迎来证明自己的机会。那就是另外的故事了,关于Cassini Huygens任务和在国际空间站(ISS)中的新一代筛选Carboxens的故事。目前,两个旅行者号探测器一直在勤勤恳恳地从星际空间发回数据。预估2025年之前,我们还有机会联络到飞行速度稍有减慢的旅行者2号。

届时,科学仪器除一两个外将全部关闭,以保证数据的测量,延长探测器上原子电池的使用寿命。但两个探测器的最后一个任务,既不需要无线电联络也不要求电池满格。每个探测器上都有一张放在保护性铝夹套中的镀金铜唱片。除了太阳系的星图,唱片还收录了来自地球的问候、音乐、声音和图片。

外星人是否喜欢唱片里Chuck Berry的Johnny B. Goode,或者会不会惊叹孔径精确到十分之一纳米的碳筛粉,我们可能永远无从得知。探测器还需要成百上千年的跋涉才能到达一个有生命存在可能的地方。

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