多年来，人们开发了各种模型来描述一类重要的混合效应，例如化学反应器中的流动。然而，由于重力效应的叠加，实验验证远远落后。

失重实验分离出经典的扩散现象

一支由德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)和匈牙利塞格德大学及比利时布鲁塞尔自由大学(ULB)的合作伙伴组成的欧洲研究团队，通过失重条件下的实验填补了这一空白。研究结果发表在npjMicrogravity上。

所谓的反应扩散前沿是指两种化学物质相互反应并同时扩散。科学家可以利用这种效应来模拟和更好地理解化学和物理学以及金融界或语言学等完全不同领域的问题，因为底层数学方程具有相同的特征。

当研究人员将这些反应与流动结合起来时，情况变得更加复杂。这类过程对于与燃烧过程、地质学、特定材料的生产和二氧化碳储存有关的技术应用非常重要。尽管应用范围广泛，但这些系统的关键部分尚未完全了解。

“到目前为止，验证此类过程模型的实验已经因反应溶液之间的密度差异引起的浮力效应而扭曲。为了隔离这个问题，我们在探空火箭上进行了失重实验。

“我们的合作伙伴进行了并行数值模拟，以显示二维效应的重要性，而这些效应在简单的一维模型中无法考虑，”HZDR流体动力学研究所的KarinSchwarzenberger博士在概述其团队的工作时说道。

北极圈火箭发射

这项实验于2022年10月1日进行，搭载探空火箭TEXUS-57，从瑞典基律纳以东40公里的Esrange航天中心发射。空中客车防务与航天公司、欧洲航天局(ESA)和德国航空航天中心(DLR)参与的这项合作项目将施瓦岑贝格团队的实验模型等运送到太空边缘。

该舱内有三座大小不一的反应堆，反应堆由玻璃板以不同距离堆叠而成。火箭升空至240公里高空，近六分钟内处于几乎完全失重的状态。

在此期间，研究人员能够自动运行实验——这些实验是经过数年精心策划的结果。当失重状态开始时，反应就会被触发。

三台高分辨率摄像机拍摄了两种流动液体之间扩散的反应前沿。这些图像是整个团队努力的焦点：借助它们，研究人员现在可以将非常特殊的混合效应与其他流动现象区分开来。

失重状态下的流动物理学

由于与壁面的摩擦，液体通道中的流动表现出不均匀的速度分布，进而影响溶解物质的输送和液体中反应物的扩散。这种扩散效应被称为泰勒-阿里斯扩散，以两位在20世纪50年代为理解该扩散奠定基础的研究人员的名字命名。过去，理论研究提出了不同复杂程度的模型来描述泰勒-阿里斯扩散与化学反应的相互作用。

然而，就应用而言，评估各种模型的先决条件非常重要。这意味着进行实验以将泰勒-阿里斯弥散与其他流动现象区分开来。在地球上，泰勒-阿里斯弥散本质上是由重力引起的浮力效应叠加而成的。

到目前为止，研究人员已经尝试使用浅反应堆来最大限度地减少浮力效应——但这种方法从未完全奏效，因为为了涵盖许多应用领域，仍然需要覆盖一定范围的反应堆高度和流速。但流动系统越大，重力就越强。研究人员现在已经能够克服零重力下的这些限制。

与地面上的参考实验相比，在失重条件下，反应堆高度越高，产生的反应产物就越少。更重要的是反应前沿的图像数据没有受到浮力效应的扭曲。

因此，布鲁塞尔的合作伙伴能够在各种理论模型中复制锋面的发展。联合评估表明，在流速较慢的非常浅的反应堆中，可以使用简单的一维模型。然而，在较大的反应堆或流速更快的情况下，需要使用Taylor-Aris扩散的二维模型。

在这些有效范围内，现在可以使用相应的相关性来预测产品的形成。这不仅可用于设计创新的反应堆，用于有针对性地合成颗粒和在地质层中输送流体，还可用于为重力条件与地球不同的空间站提供补给。