今日太空实验室 | 在这里，开启关于“悬浮”的奇幻之旅 - 科技频道

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今日太空实验室 | 在这里，开启关于“悬浮”的奇幻之旅

2024-09-04 09:14:37 来源: 作者: 【大中小】浏览:7次评论:0条

中国空间站作为国家太空实验室，在轨部署了国际一流的科学研究与技术试验设施，无容器材料科学实验柜（以下简称“无容器材料实验柜”）就是其中之一。神舟十八号乘组在轨期间，利用无容器材料实验柜开展了空间材料科学领域的多项科学实（试）验。在“乘组周记”中可以了解到，三名航天员需定期对无容器材料实验柜进行实验腔体样品清理、实验样品更换、轴心机构电极维护等工作。“无容器”究竟有何特别之处？

一、为何开展空间材料科学研究？

空间材料科学是材料科学与空间技术相融合形成的一个交叉学科领域，主要研究内容是在外层空间以微重力、无容器、高真空和强辐射为特征的超常环境中，探索各类材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备和加工成形原理及其最终服役性能。发展方向首先是利用外层空间的特殊环境条件进行材料科学研究，其次是为各类材料的空间应用奠定坚实的科学基础。

二、无容器材料实验柜的关键技术是什么？

无容器材料实验柜示意图

无容器材料实验柜位于空间站天和核心舱，是最早安排“上天”的实验平台之一。顾名思义，“无容器”就是不用容器承载，使实验样品在悬浮的状态下实现熔炼的过程。想象一下，熔融的金属或者非金属材料成为“液滴”，悬浮在空中，却不会和容器壁接触，加工后的材料能在较低温度下不凝固，仍然保持液体状态。那么，如何让样品保持“悬浮”？

无容器材料实验柜在核心舱内的位置

静电悬浮技术便是无容器材料实验柜工作原理的关键，通过静电场实现稳定的悬浮控制，避免实验材料样品与整个实验腔体内表面的接触。

静电悬浮技术

在地面实验室，静电悬浮是利用静电场所提供的电场力来克服重力，从而实现无容器状态。它可适用的材料种类广泛，只要样品产生了足够多的电荷量就可实现悬浮，而且材料可在真空环境中保持稳定悬浮状态，避免了介质的影响。与电磁悬浮、超声悬浮和气动悬浮相比，静电悬浮不存在电磁搅拌、超声空化和气流扰动，外场对样品的影响很小。因此材料可在近似完全静态环境中实现无容器熔化和凝固，从而使材料熔体易于获得深过冷，便于对过冷态物理化学性质和凝固过程进行实时原位测定。

空间站静电悬浮相较于地面静电悬浮，不需要克服重力，仅需控制样品位置，其原理是根据样品位置变化，调控样品库仑力的大小和方向，使之动态“定位”于设定的位置。与地面实验相比，所需要的电压更小，对样品的干扰远小于地面实验，进而提供更理想的科学实验条件，例如微重力条件下，液态样品更圆，样品的振荡更理想。

科研人员在地面利用静电悬浮实验装置开展相关实验（中国网谢露莹/摄）

三、无容器材料实验柜是如何工作的？

无容器材料实验柜轴心机构内装有实验样品

在实际运行中，每个样品盒可容纳29个样品。每次实验分为以下步骤：

①完成真空或者氩气加压的实验环境准备，确保实验在特定的气体环境下进行，以模拟太空中的环境条件；

②样品盒释放样品；

③位控系统捕获释放样品，对样品进行悬浮位置控制；

④启动激光器加热熔化样品，对样品可持续加热到2000℃以上的高温；

⑤周围的物态测量相机开展比热容、热导率等热物理性质参数测量；

⑥冷凝固样品，并进入深过冷状态，即高温熔体在温度低于其凝固点的情况下仍然保持液态状态；

⑦位控系统将悬浮样品移动到样品回收入口处，通过前后推杆将样品夹持住，再推送到样品盒内的样品存储位置。

在“天宫课堂”第二课中，神舟十三号乘组不仅介绍了无容器材料实验柜的科学原理，还通过视频演示讲解了“锆金属熔化与凝固”实验。

神舟十三号乘组在轨介绍无容器材料实验柜

作为实验样品的金属小球悬浮在实验腔体中，经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节后，实验完成。

神舟十三号乘组在轨介绍无容器材料实验柜

值得一提的是，实验操作是一个天地协同的过程。航天员只需要取出完成实验的样品盒、装上新样品盒，在实验过程中不需要进行直接操作，主要通过注入指令执行，地面工作人员就可以实时监控实验开展。

神舟十八号乘组在轨操作无容器材料实验柜

在轨三年以来，无容器材料实验柜已开展多项关键研究项目。近期，利用空间站微重力环境开展的相分离合金凝固理论和相分离合金原位复合材料制备技术研究取得了重要的空间应用阶段性成果。研究团队基于前期大量的地基研究，优化设计合金成份和凝固工艺，先后于天宫二号空间实验室、神舟十三号、神舟十五号和神舟十六号飞行任务期间开展了空间相分离合金的凝固实验，成功制备出第二相均匀弥散分布的原位粒子复合材料样品和具有壳-核结构的球形样品，而相同凝固条件下的地面凝固样品则呈现了偏析型组织。空间凝固合金呈现弥散型组织，地面凝固合金呈现偏析组织。

(a) 初始凝固部位；(b) 试样中部；(c) 最后凝固位置。

空间样品呈现完整的核-壳结构；地面样品呈现了偏析型凝固组织。

多年天地协同研究，通过地基实验、空间实验和建模与模拟研究相结合，深入理解了相分离合金凝固组织形成过程和关键影响因素，发展了多种相分离合金凝固组织调控方法，为高性能相分离合金材料设计与制备打下了基础，从而满足大型机械、核电、船舶、输电、电子等一些领域对特种材料的需求。

科研人员展示在空间站凝固的实验样品（中国网谢露莹/摄）

无容器材料实验柜有望实现对金属和非金属的“深过冷凝固过程与机理”研究、新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究等，对于地面材料的制备、提高高精度材料的生产工艺具有非常重要的意义。未来，更多材料样品将在此开启关于“悬浮”的奇幻之旅。随着空间材料科学的不断发展，期待在太空中制备出更多性能优越的材料，广泛应用于民众的日常生活。