天宫二号:太空“八卦炉”炼的是什么“英雄材料”?

来源:互联网新闻 时间:2020-04-29 10:26

中国真正意义上的空间实验室“天宫二号”即将发射,它是中国空间站的前身,为建造更为复杂的空间站做准备工作。在这个太空实验室里,中国科学家将开展10多项科学实验和观测,大多数是当今世界最前沿的探索领域。

“我报道”近日陆续推出科普文章,为你介绍都有哪些“不明觉厉”的实验登上了“天宫二号”。

到太空去研究和制备材料,会发生怎样奇妙的事情?这也是“天宫二号”空间实验室要探索的事情。

在太空的微重力环境下,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。因而,科学家们希望能够到太空中去研究和制备材料,也梦想生产出在地球上难以制造出来的高性能材料或独特的材料。

在“天宫二号”空间实验室中,中国的科学家们将开展一系列材料科学实验,所有材料实验样品均为国际首次,航天员将多次操作更换并回收实验样品供地面进一步分析研究。

中科院物理研究所研究员、载人航天工程空间材料科学分系统主任设计师潘明祥介绍,“天宫二号”上将开展包括半导体光电子晶体材料、纳米复合和新型金属基复合材料等在内的12项材料的生长与制备。

科学家们希望能够利用微重力环境生长出缺陷少、性能更优异的晶体和合金,如微纳米尺度结构更均匀一致的纳米复合材料、界面结构与地面有差异的新型复合材料,以及地面难以获得的组份均匀的高性能化合物半导体光电子晶体。

未来世界的“英雄材料”

为了帮助大家理解这些拗口的实验材料名称,科学家们根据它们的特点和漫威宇宙中的“超级英雄”对应起来:

01 多晶碲化锌(ZnTe):这种材料未来将帮助我们制造更高效且灵敏的外太空探测器

  02 介孔基纳米复合材料:期待更加完美的光通信材料

  03 多组元复相合金:1+1+1>3,更轻、更小、运行速度更快的电子设备

  04 单晶金属合金:更轻、更硬、更完美的未来合金材料

  05 闪烁材料:没有它,骨科医生可再也看不到X光片

  06 新型金属基复合材料:古代十八般武器要是用了这种材料……

  07 铁电薄膜红外焦平面列阵:用热成像看清世界的每一丝细节

  08 红外探测器材料:未来战场的千里眼

  09 磁性半导体:小小自旋,翻转天地——未来自旋电子器件

  10 高性能热电半导体:新一代的控温大师

  11 偏晶合金空间定向凝固:一言不合,换个模式冻起来

12 材料制备实验装置热分析实验和模型研究:上述材料没有我进行热平衡,材料宝宝们都会夭折在摇篮里哦

  航天员要操作21世纪的“八卦炉”

科学家计划使用“天宫二号”上的综合材料实验装置进行18个样品的空间实验,其分3批次进行,每批次6个。第一批次样品随材料实验炉发射升空后直接在舱内进行实验,待交会对接之后由航天员进行材料实验炉的开盖换样品操作,这将是中国航天员首次进行在轨操作的空间材料科学实验。

航天员在轨将完成两次开盖换样品的操作,之后将完成实验的两批样品带回地面,供科学家解剖分析研究。第三批次的6个样品将留轨进行装置热特性测量的实验,数据传回地面进行分析研究。

为了开展这些实验,科学家们研制了一个独特的“炉子”。

《西游记》中,孙悟空被太上老君放在八卦炉中炼了49日,炼成金子心肝、银子肺腑、铜头铁背、火眼金睛。另外《西游记》中大部分顶级装备,比如金箍棒、九齿钉耙和紫金铃等,都是出自八卦炉。

而“天宫二号”上的综合材料实验装置就好比一个21世纪的“八卦炉”。

工程人员历经三年多的攻关研制出的这个约27.6公斤的炉子,最大功耗仅相当于2个100瓦的白炽灯,却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度。虽然炉内有这样高的温度,但炉外表面却不会烫到航天员。

炉子的整个结构类似于一把左轮手枪。枪管中最高可加热到950℃的高温,空间材料的制备和处理就是在这个高温枪管中完成的。通过控制枪管中的温度,可实现材料的熔化和凝固,从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料。

样品管理单元的核心是存储样品的“样品管理仓”。样品管理仓类似于左轮手枪的“弹夹”,它一次能够装6颗“子弹”,即能够完成6种材料样品的高温制备和处理。

由于空间资源的限制,“弹夹”不能做那么大。那么怎么办呢?这就需要航天员出场了。

那么航天员在太空具体是怎么操作的?先展开材料样品工具袋并固定在侧面版上,打开盖子,按照标识取出一个样品,放到样品工具袋的空位上,再把样品工具袋中的一个放到“弹夹”空位中,如此反复。换完了,合上炉盖。

未来太空工厂能实现吗?

尽管俄罗斯、美国等国家已经在太空开展了多次材料实验,但是在太空中制备出来的材料目前还几乎没有真正得到应用。“虽然人类已经做了数千次的太空材料实验,但相比地面的实验还是非常之少。”潘明祥说。

潘明祥介绍,广泛应用于集成电路芯片制造的半导体材料——高质量的大尺寸硅单晶是在磁场下生长的,这一想法就来自于太空实验的启迪。

他说,空间材料科学目前依然处于以基础研究为主的阶段,科学家们还不清楚微重力环境下的对流受抑制使得材料的形成过程如何发生改变,以及材料的微观结构在太空环境下会发生哪些变化。如果材料性能真的改善了,那么是什么原因造成的?是微重力下的对流得到有效控制了,还是其他的原因?在地球上是否有办法模仿出空间的效应?这些都需要研究。

另外,即使是在太空生产的材料其质量、性能比地球上好,目前的成本还太高,性价比还难以与地面制备出的材料相竞争。

尽管如此,潘明祥说:“一旦有了可重复使用的运载火箭和飞船,人类进入太空的成本大为下降,我认为对于一些特殊应用需求,太空工厂在未来是有可能实现的。”

试想某一天,在空间站里,基于综合材料实验装置的高端生产设备将被建成。到那时,可能一些地球上急需,但又无法制备的关键材料,将通过科学家的远程操控在太空生产出来。

致谢:

中科院物理所、中科院上海硅酸盐所、航天科技集团510所、西北工业大学、中科院国家空间科学中心、中科院上海技术物理研究所、中科院半导体研究所、中科院金属研究所、中科院兰州技术物理研究所、中科院空间应用工程与技术中心

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