走进超重力离心模拟与实验装置项目丨“世上千年舱中一日”

总投入超20亿元人民币、“十三五”时期优先建设的10项国家重大科技基础设施项目之一、浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目……自带“光环”的“国字号”项目项目进展备受关注。

这个“国字号”项目全称为超重力离心模拟与实验装置（英文名叫Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility），由浙江大学牵头建设，组建了以10位院士为核心的科研团队，浙大陈云敏院士担任项目首席科学家。项目团队用这个巨大装置的英文缩写给它起了个名字，叫CHIEF，寓意它成为同类装置中的翘楚，引领全球科学家探索超重力科技前沿。

日前，该项目有了新进展——教育部在浙江大学举行超重力离心模拟与实验装置国家重大科技基础设施项目初步设计评审会，评审专家组同意项目初步设计通过评审。

长期以来，缺少国家重大科技基础设施是杭州创新发展的短板。因此，落户杭州未来科技城的CHIEF就成瞩目焦点。它长什么样？建成后将如何运转、发挥哪些作用？国之重器，对杭州又意味着什么？项目团队的三位重量级专家——项目首席科学家陈云敏院士、材料科学专家张泽院士和地质学家杨树锋院士给了答案。

△ 超重力离心机和主要机载装置示意图

一个长着两只强有力的长手臂的巨人，一手抓一个“篮子”，飞快地原地转圈，几个专家生动地描述了CHIEF建成后的样子。“篮子”——也就是实验舱——里面装着的东西就会受到超重力场的影响。

其实，从被牛顿关注的那个苹果落地开始，人类对重力的研究就没有停止过。科学家们把地球上重力场叫常重力场，1g≈9.8m/s2，大于1个g的叫作超重力。

在超重力环境下，会发生我们平常看不到的神奇效应。首先，它能让空间变小、时间变快。比如，科学家想知道100层楼高的房子对地基的影响，他们只需要造一层楼高的模型，再将其置于100个g的超重力作用下，所得的结果是完全一样的。又如，大自然在数百万年里发生的地质变迁，科学家在超重力环境中用几天就能模拟出来。其次，超重力场加速了不同物质之间的相对运动的驱动力，从而产生缩时作用。比如超重力场下的爆气试验，超重力增大了气泡的运动速度，加速了相分离。

“CHIEF的两臂高速旋转，在实验舱内就会产生超重力场。转速越快，超重力场就越强。转臂半径越大，超重力场就越均匀。”陈云敏院士介绍，CHIEF主体部分由两台离心机和6座超重力实验舱构成，建成后，离心机最大容量达1900g·t（重力加速度·吨），最大离心速度达1500g，最大负载超过32吨，将成为世界上容量最大、应用范围最广的综合超重力多学科实验平台。18台机载装置中6台国际首创、12台技术指标国际领先。

有了超重力效应赋予的一眼“千里”、一眼“万年”的实验能力，许多高难度课题研究成为可能。CHIEF的6座超重力实验舱，将分别开展边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备等6个领域的科学研究。

大科学装置的研制处处充满了创新，一切都需要重新摸索。CHIEF建设地点位于杭州市余杭区未来科技城，建筑面积34560平方米，建设周期5年，项目总投资超20亿元。“一方面要做到国际领先，一方面又要确保技术成熟，能顺利产出成果。”陈云敏这样阐释CHIEF建设的高难度。为了在技术上消除所有隐患，陈云敏带领团队埋头开展预研工作，在正式开工之前把可能碰到的技术难题都提出来，已列出了48项关键技术。

△ CHIEF项目选址杭州科技未来城 

因为能够利用超重力种种神奇效应，营造日常环境中不存在的极端物理条件，超重力离心机被视为一种“革命性的工程工具”，世界上许多发达国家和高水平研究机构都竞相投入建设超重力实验装置。

当前，我国已经吹响了“向地球深部进军”的号角，深地开拓科技问题上升到国家战略高度。杨树锋院士说，地球深部蕴藏着矿产、油气资源，如何找到它们，研究其形成规律，长期缺乏有效的科学手段。2017年，我国在南海成功试采“可燃冰”，但要实现商业化开采，急需攻克千米级深海地层水合物相变多场相互作用机制及灾变效应的科学难题。

研究地球内部物质的运移和演变，涉及时间跨度长、空间跨度大。“超重力‘压缩时空’的效应大有用武之地，能帮我们做成多年来一直想做的事。”杨树锋说，我国的资源勘探正在向千米级深地进军，对于百万年、数百公里的地质构造和成岩成矿过程规律的研究，将为我们寻找合适的矿产资源提供精准指导。

在新材料方面，新材料研发是高端制造业的基础，合金材料的高通量制备及优化筛选，将是研发战略性新型材料的重要路径。张泽院士对此深有感触。我们多年埋头攻关自己的航空发动机，很多材料平常状态下表现优异，制成涡轮叶片高速运转后，性能却大打折扣。“涡轮叶片就是在高温、高离心力加速度的环境下工作的，我们此前长期缺乏这样的实验条件。”张泽说，利用大容量的超重力离心机，还能够制备尺寸更大的高通量样品，帮助我们更快更好地发现高性能材料。

此外，污染物在地下环境中如何迁移？科学家考虑的不是一两代人的时间，而是一万年的尺度；我国大坝数量居世界之首，一旦溃坝将造成灾难性后果。边坡与高坝的防灾减灾，急需科学家来揭示300米级的高坝溃决和边坡失稳、滑动和流滑机理；我国还是世界上地震灾害最严重的国家之一，发展高性能的抗震设计方法，关键的科学难题在于探索复杂场地的地震规律和岩土体致灾效应……陈云敏说，在这些领域，CHIEF都能发挥它的“特长”。

△ 建筑效果图

国家重大科技基础设施着眼于提升人类探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革能力，它面向国际科技发展前沿，聚焦我国经济社会发展和国家安全战略性、瓶颈性科技难题。它不仅催生一批世界一流研究成果，其建设过程还能锻炼科研队伍、研发关键设备，培育起能够生产这些设备的高技术企业。

“有了金刚钻，才能揽瓷器活。待这样重量级的装置落地，就能做一些别人做不了的大事，就能吸引愿意做大事的人。”张泽说。

环视长三角地区，就有上海张江、安徽合肥两个综合性国家科学中心。在这两地，国家大科学装置密集，汇聚了一批中国最顶尖的研发机构和研究团队，有一些领域代表了全球一流水平。抓住科技革命的机遇，依靠原始创新引领技术变革和产业发展——这是许多经济发达地区正在践行的发展战略。

不创新不行，创新慢了也不行。CHIEF落户，将为浙江杭州科技创新发展提供强大的源头供给，发挥重要支撑作用。

同时，杭州要成为世界名城，大科学装置作为一个开放的平台，可以让我们在国际合作与竞争中更具话语权，是杭州参与国际前沿科技竞争的利器。陈云敏介绍，建成后，25%的机时数用于浙江大学的各学科用户，其余75%的机时数目将用于基础研究用户、国际用户和企业用户。项目还将开展国际平行试验，发布超重力基准试验，共享重大工程超重力试验数据，并创建多学科科普平台，面向社会公众开放和提供技术培训。