近日,国家自然科学基金委员会公布了2019年国家自然科学基金重大项目的立项名单,江苏有13个项目上榜。南京大学、东南大学、南京信息工程大学、南京中医药大学、中科院南京土壤研究所等牵头项目格外抢眼,不少项目获得国家基金超千万元。从2020年1月到2024年底,这些重大项目聚焦哪些重大科学问题呢?
恐龙灭绝之后全球为什么会变冷
全球变暖如今已经是关键词,但在百万年到上亿年的大时间尺度上,全球变冷的过程却少为人知,而人类的产生与人类社会繁荣所依赖的环境基础正是“全球变冷”的结果之一。
“地球的两端,南极和北极为什么会生长冰盖?”这是南京大学陈骏院士的“新生代大陆风化调控机制”项目要解决的一个终极问题。项目策划者之一、南京大学地球科学与工程学院李高军教授介绍,其实地球迄今为止大部分时期,南极和北极是没有冰川覆盖的,目前我们人类处于冰期。
人类的这个冰期,发生在恐龙灭绝之后。“其中一个解释是,在恐龙灭绝后的新生代,印度板块和亚洲板块发生了碰撞,导致青藏高原抬升,暴露出岩石,加速水、二氧化碳与岩石发生反应,致使空气中二氧化碳含量的下降,从而引起全球变冷。这其中二氧化碳溶解于水形成碳酸,进而分解岩石的过程即大陆风化。”
李高军说,我们赖以生存的环境,与全球变冷都有密切的关系。比如农业土地资源黄土地等,特别是我们的早期文明,严重依赖于全球变冷所引起的土地覆盖的变化,草原的扩张使得人类拥有更多易耕种的土地;正是因为全球变冷导致的热带雨林的收缩,非洲的猿类才会演化成人;也正是因为全球变冷导致的海平面下降,各大洲之间海峡变窄或消失,人类才能从非洲扩张到全球。
李高军介绍,该项目将“重现”大陆风化过程,验证风化的机理。在空间维度上,项目通过观察西伯利亚极端寒带,印度德干高原极端热带,云南昭通高原高寒湿润区、青藏高原等不同气候和地质构造单元岩石的溶解速度,探讨影响大陆风化速度的因素。在时间维度上,项目将观察封存在海洋中的历史记录,再现大陆风化“泥沙俱下”的过程是否和青藏高原抬升和全球变冷的过程一致。
那么弄明白这个过程意义有多大?李高军说,首先大陆风化是自然界吸收二氧化碳的最主要的地质过程,了解这一自然过程的机理,我们可以设计实验方案模拟自然过程,加速大陆风化过程,从而把空气中我们排放的二氧化碳再吸收回来。而从长远目标来说,弄明白我们人类生存环境的由来,人类宜居环境受什么因子调节,将有利于我们去寻找外星生命和人类宜居的外星环境。
气候变化高敏感区将如何影响人类生活
在近期发布的《自然》杂志2020年十大科学展望中,有两项与气候变化紧密有关,一是COP26气候大会以及联合国环境规划署有关应对气候变化的报告;另一项则是美国大选对气候政策的影响。
“气候变化已经成为当今世界关注的焦点与亟待解决的问题。”中科院院士、南京信息工程大学教授王会军表示,国际上对于应对气候变化有不少积极探索和尝试,比如对二氧化碳的捕获和封存,再比如太阳辐射管理工程,即通过释放气溶胶遮挡一部分太阳辐射,这些都是人类主动应对气候变化的一些办法。我国在气候变化领域已有较为全面深入的研究,此次立项的“亚洲中高纬区极端气候的机理、预测预估及其生态环境影响”项目,其特色在于系统深入地研究亚洲中高纬气候变化高敏感区极端气候变化的机理,探索有价值的气候变化预测方法。
“包括我们国家在内,全球有很多气候敏感区,气候变化幅度比较大。”王会军院士提出,亚洲中高纬区有很多这样的气候变化敏感区,这些地区的冰雪、冻土、植被的变化会影响区域乃至全球气候的变化,甚至可以影响到全球的水资源、生态系统等等。但由于过去相关研究比较少,因此该领域很多科学问题,比如说极端气候变化的过程、特征、机理都不清楚。
王会军介绍,该项目聚焦点有两个关键,一是聚焦亚洲中高纬区这一气候变化的关键区。我们在关注气候变化之外,还关注极端气候的变化,比如极端干旱、极端降水等,在全球变暖背景下,这些极端气候和生态系统变化的关系是什么?我们将两者联合起来研究。
“基于极端气候和生态系统的联合变化,我们有没有可能构建更有效的预测方法?”王会军说,项目的第二个关键,是将构建新的气候预报方法,预测中国乃至亚洲未来几十年气候的变化,比如哪些极端季候造成的灾害风险会增加?“全球变暖大背景下,中国的‘大粮仓’东北地区会面临什么?西北植被、冰川冻土会发生什么变化?更有效的气候预估方法,将更有效帮助社会、公众的应对和防灾减灾。”
国产机器人将如何挺进高端市场
伺服电机作为控制系统中的执行元件,是影响机器人等装备工作性能的主要因素之一,中国装备制造高质量发展,也必须倚赖这一“卡脖子”的关键技术。东南大学电气工程学院程明教授牵头申请的重大项目“高品质伺服电机系统磁场调制理论与设计方法”获得国家自然科学基金委的批准立项,并获得2000万元的资助经费。
“伺服电机是装备中执行机构,机器运动基本都是靠它来实现的。比如机器人的关节部位,高性能地进行挥摆、完成准确抓取等任务,都需要伺服电机作为技术支撑。”程明告诉记者,当前我国高端伺服电机市场近80%由日本、欧美垄断,随着机器人产业的不断壮大,未来这一技术必将成为市场洪流中的兵家必争之地。
为突破高端伺服电机的技术瓶颈,程明团队另辟蹊径,创新性地提出一套“磁场调制”理论,研究磁场对伺服电机特性的影响,并总结出演变规律,以此控制、设计电机,提升伺服电机系统的性能品质。“我们研究发现,电机气隙磁场时空交互作用,变化复杂,我们希望从中找到规律,再用数学方法加以表征。” 程明解释道。
认定资助经费额度之前,要接受自然科学基金委的层层审批。程明说,该项目最终拿到2000万元的最高经费,一方面基于国家对于伺服电机技术的重视,另一方面也因为该项目提出来一套具有原创性的理论与研究方法。程明向记者介绍,从提出立项建议到申报获批,该项目前后准备了两年多,可以说是“集结”了全国电机行业的最顶尖力量,华中科技大学、浙江大学、哈尔滨工业大学以及江苏大学均派出专家团队共同参与项目的研究。
根据计划,项目将以5年为期,从定位精度、速度精度以及动态响应等方面提升国产伺服电机的性能,此外,团队还将打造共享设计平台,为企业开发高质量伺服电机提供技术支持,全面赋能机器人、高档数控机床以及航空航天等高端装备制造。