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原标题:八卦炼丹炉,为什么大国不惜砸锅卖铁也要去太

浏览次数:66 时间:2019-09-26

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天宫二号上的“八卦炼丹炉”

刚过去的2018年,对于全世界的航天人来说都是波澜壮阔的一年。

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。

■本报记者 黄辛

这一年,是在时隔27年后,人类的航天发射次数再一次突破了100次大关,而上一次还得追溯到1991年。

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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。

并且在这一年里,中国的航天发射次数以39次的成绩,首次超过美国的34次。

“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”。

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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。

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。

今天很多人意识到,航天不仅仅是走出地球摇篮的必经之路,也不仅仅是为了满足探索未知宇宙的好奇心,它实际上决定着我们整个人类的终极命运。

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。

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。

太空实验室里的日常

一只灯泡加热“八卦炼丹炉”

“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。

过去几十年的太空探索,不但极大地拓展了全人类认知的边界,收获了不少造福地球生活的新发明,也积累了一系列飞往宇宙深处的关键技术。

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。

“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。

在这当中,国际空间站是持续开展太空科学探索的典型代表和集大成者,也是人类的凌霄宝殿,可以把它想象成是悬浮在太空中的一个超大号实验室。

天宫二号上也有一个炼丹炉,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”。

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”。

宇航员整天在国际空间站里都忙碌哪些科学实验呢?可以举两个形象一点的例子。

“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。

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。

第一个是植物研究,比如在太空中如何解决长期的口粮问题。

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。

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。

第二个是材料研究,利用太空的特殊环境,希望可以合成一些新型的材料、改变人类的生活。

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。

“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。

很多人关心,为什么要千里迢迢地在太空中去做材料科学实验呢?

太空是炼制特殊材料的理想地

《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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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。

这几张是地面上常见的现象,浮力、对流、沉降和静水压,它们产生的主要原因就是地球的重力作

“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。

用,这些效应在材料合成的时候容易造成组份的不均匀、分层、缺陷,最终材料的质量和性能就不会太好。

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。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%。

比如说沉降效应,我们日常中用的东西大多数是两种以上的元素组成,在熔化制造它的时候,重的、密度大的元素往下沉,轻的在上面。最后整个材料上下就不均匀甚至分层了,这样它的性能就不会太好。

空间站的材料实验,从“单间”到“别墅”

材料科学家天然本能地有点讨厌这种图形,但偏偏在地面很难避免,他们最想得到的结构图形实际上有点像这个火龙果,里面的黑点是均匀分布的。

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。

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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。

我们知道在太空微重力的环境下,物体颗粒可以呈现悬浮的状态,所以火龙果式的结构是很容易获得的。

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。”

致命的太空为什么又是最稀缺的资源?

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。

太空特殊的环境里其实蕴含了极大的宝藏,对于材料实验来说特别有用。

(原载于《文汇报》 2016-11-20 02版)

太空一般是指距离地面100公里以外的外层宇宙空间,在卡门线以外的太空中有什么特点?

第一是微重力。人所感受到的重力是地球表面的万分之一、十万分之一,甚至更小。

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