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幸运28:中国太空材料科学实验发展进入机遇期 -br-宇航员太空带

中国太空材料科学实验发展进入机遇期
宇航员太空带回12支材料样品

未来中国空间站的高温材料科学实验柜和无容器材料实验柜概念图。

“八卦炼丹炉”三部件之一的材料实验炉。(均上海硅酸盐研究所供图)

  11月18日下午,我国两名宇航员乘坐神舟十一号安全返回地面,从太空载誉归来,宇航员带来了珍贵的“天外来物”:两批共12支材料科学实验样品,当天晚上9点左右,上海硅酸盐研究所的研究员们拿到了这些经历太空考验的材料。

  仅隔一天,上海硅酸盐研究所高级工程师、天宫二号综合材料实验装置研制项目主任设计师艾飞就把刚出炉的太空材料照片带到公众面前,在上海科普大讲坛上做了一场太空科学实验的讲座。

  一只灯泡加热“八卦炼丹炉”

  这次带回的科学实验样品包括碲化锌晶体、碲化铋晶体、铝锡铋合金、金-氧化硅介孔复合材料等12种。如同太上老君用八卦炼丹炉炼了七七四十九天才炼出金丹,这些材料从上天到返回经历了整整65天,在天宫二号的“炼丹炉”内经历了至少500小时的考验。

  天宫二号上也有一个幸运28炼丹炉,它由三部分组成,老大是材料实验炉,材料实验就是在它里面炼制的,核心温度极高,外号“火种”;老二叫材料电控箱,是系统控制和运行的大脑,神机妙算,外号“智机”;三弟叫材料样品袋,航天员更换和回收样品要用到它,外号“探囊”。

  “身高”半米,体重21公斤的“八卦炼丹炉”在黝黑的外表下,有一颗火热的心。据艾飞介绍,只用100瓦、差不多一只灯泡的功率就可以实现1000℃的高温。这是先利用太阳能,再通过复杂的电阻加热的原理下达到的。

  在八卦炼丹炉里,还密密麻麻地排布了21个温度传感器。这是在我国太空材料科学实验中首次出现的独特设计,在国际上也非常少见。它们可以时时传回空间环境的传热特性数据,为将来太空中的实验装备设计和材料实验提供有效参考。

  在这次太空材料实验中,首次有了人的加入。只见宇航员拧开螺钉,打开炉盖,把炉子里做完实验的样品一根根取出来,再把样品袋里新的样品放进去,关上盖子,拧紧螺钉。“这样简单的动作,宇航员也训练了很久,虽然每一个步骤都有充分的保障措施,但绝不能掉以轻心。”艾飞说。

  太空是炼制特殊材料的理想地

  距离地球100公里以外的“深空”,有着特殊的环境。在那里,人们首先感觉的是重力只有地球表面的万分之一,甚至十万分之一;其次是超高真空,在一个冰箱的体积里,只能找到几个原子或分子;第三是超洁净,那里是真正的一尘不染。这些条件或许对人并不友好,但对于材料制备却是理想地。

  “材料科学家本能地向往太空。”艾飞说。比如,科学家最想得到的是像火龙果一样内部颗粒均匀分布的材料。然而日常用品大多数是两种以上的元素组成的,在重力作用下,重的密度大的元素下沉,轻的在上,材料就形成了分层,而分层的材料是不均匀的,在分层处容易断裂。

  在太空微重力的环境下,浮力、对流、沉降、静水压都不存在了,材料具有更高结晶完整性、更高均匀性、更高纯度幸运28。在2012年发射的神舟三号飞船上,一种叫硅酸铋的黄色晶体曾被用来做过实验,结果表明,太空中生长的硅酸铋晶体较地面晶体位错密度低了一个数量级,透光率则提高了10%。

  空间站的材料实验,从“单间”到“别墅”

  发达国家争先恐后把材料送上太空,迄今为止,美国、俄罗斯、欧洲已经完成了上千次的太空材料实验,而我国从1987年首次进行太空材料科学实验以来,共计实验十几次,获得材料几十种。

  尽管我国太空材料实验起步较晚,但后发优势强劲。艾飞说,我国空间站即将进入实施阶段,预计到2020年到2022年,我国的空间站就会翱翔在太空,那时一年就有可能做几百次实验。

  据艾飞透露,我国在空间站上规划的材料实验有两个大的机柜:高温材料科学实验柜和无容器材料实验柜。机柜是个比冰箱大一些的集材料合成、制备、分析、处理于一体的实验平台,宇航员可进入机柜中进行操作。“机柜与‘炼丹炉’的差别,就相当于单间和别墅的区别。”

  许多外国材料学家也对未来中国空间站的机柜感兴趣,他们早早发出了愿与中国科学家合作的申请,希望把自己的材料研究拿到太空验证或应用,对于想在太空中长时间试验的材料来说,与中国合作也许是唯一的机会。“如果可能,针对某几种极缺的战略性材料,会在专门的太空实验室进行制造。”艾飞说。

  (原载于《文汇报》 2016-11-20 02版)