天宫二号上的

天宫二号上的“八卦炼丹炉”

■本报记者 黄辛

澳门金莎,11月18日下午,两名航天员乘坐神十一返回地面,并带回了珍贵的“天外来物”:两批次共12支材料科学实验样品。当晚9点左右,中科院上海硅酸盐所的科研人员就拿到了这些完成太空实验的材料,后续将交给科学家进行详细的性能测试和分析。

11月19日,在上海科普大讲坛上,天宫二号综合材料实验装置研制项目主管设计师、上海硅酸盐研究所高级工程师艾飞博士向公众解密了盛放这些“天外来物”的“八卦炼丹炉”。

作为中国载人航天领域最为关键的承上启下环节,天宫二号是真正的空间实验室。在这个面积只有“一室一厅”的实验室里,要完成数十项实验任务,其中有个重头戏就是在太空中制备高性能材料。上海硅酸盐所牵头研制的“八卦炼丹炉”是一只“身高”半米、体重约21公斤的“黑炉子”,学名叫作材料实验炉。据艾飞介绍,该试验炉高效、节能,只用100瓦(差不多一只灯泡的功率)就可以实现将近1000℃的高温,这是采用了多种绝热保温专利技术才能达到的效果。

如果戴上“透视眼”深入炼丹炉,“左轮手枪”式的结构设计巧妙别致。它可以一次性将6种材料同时装进“弹夹”,扣动“扳机”开关,实验材料依次自动进入高温的“枪管”中,完成材料的生长过程。此次,天宫二号的材料实验中,航天员两次手工开启“八卦炼丹炉”,进行样品更换,从而完成12种新材料实验。

“我们的科学家将进一步测试和分析研究太空环境合成的这些材料到底有哪些神奇之处。”艾飞表示,这12样来自太空“八卦炼丹炉”的材料包括金属合金、半导体材料、功能晶体、薄膜和复合材料等。太空中的微重力、超洁净、超高真空等特殊条件,构成了理想的材料实验环境。经过天宫二号上“八卦炼丹炉”65天的炼制,新材料组分预期会更均匀,性能比地面更好。

“材料科学家对太空中的微重力条件十分向往。”艾飞说。比如不少材料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,合成时密度大的元素下沉,密度小的元素在上,材料就形成了分层,这种不均匀就会使材料的质量和性能不高。太空微重力下的材料合成能够避免这种分层问题,得到类似火龙果式的结构。

在太空环境下,很多材料的形成过程会发生改变,从而导致最终材料的性能变化。天宫二号完成了半导体光电子材料、功能晶体、纳米介孔材料和新型金属基复合材料等12种新材料实验,所有材料实验样品均为国内首次,更是未来世界的“英雄材料”,为新一代光纤通信、高能物理及核医学成像、大飞机发动机的高温涡轮叶片等带来“未来之光”。

人类第一次太空材料实验始于1969年。迄今为止,美国、俄罗斯、欧洲等已经完成了上千次的太空材料实验。而我国从1987年利用返回式卫星开展首次太空材料科学实验以来,共计完成材料实验仅十几次,获得材料样品几十种,实验次数和样品数量相对较少。

虽然我国太空材料实验起步较晚,但后发优势越发强劲,艾飞说。预计到2022年前后,我国的载人空间站将会基本建成,那时一年就有可能做几十到上百种材料的实验,超过我国过去近30年太空材料实验样品的总和,让人向往。

“目前在我国的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。”艾飞说,这些机柜是一个比冰箱大一些的集材料合成、制备、加工、分析、处理、测试于一体的综合实验平台,可在轨运行10年甚至更长时间。一旦有了这样的长期实验平台,科学家和工程师们才能够开展更加细致和深入的材料实验研究。

《中国科学报》 (2016-11-21 第4版 综合)相关专题:天宫二号对接神舟十一号

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