2021年06月13日 星期日
一流智库专家探讨科技创新的“理想之城” 市科委与《自然》深度合作 人类无法消灭病毒,却能有效抵抗 科研“国家队”有多强? 无容器材料实验柜 “天和”装备炼丹炉
第8版:科创上海 2021-05-13
上海科研人为太空实验室打造硬核设备

无容器材料实验柜 “天和”装备炼丹炉

郜阳

中国科学院供图

《西游记》里太上老君的“炼丹炉”不再只是一个神话。日前,中国空间站天和核心舱在海南文昌发射场成功发射,由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头研制的“炼丹炉”——无容器材料实验柜,成为核心舱上搭载的两个实验柜之一。

攻克太空“无容器”难点

为什么需要太空实验室?又怎么在太空做实验?科研人员透露,太空实验室能够提供地面上不存在的实验环境,在太空环境中利用微重力条件开展各项科学研究,将为我国各领域科研与应用作出重大贡献。在太空实验室里,没有试管和仪器,也没有忙碌“搬砖”的科学家,有的是一个个科学实验柜。实验柜是空间站舱内实(试)验任务开展的主要支持设施。每个实验柜都相当于一个专业学科或研究领域的实验研究平台,满足不同学科、不同领域空间科学实(试)验开展的需求。

通常熔炼物质都需要使用容器承载熔体,往往会引入杂质,在熔体凝固过程中,会受器壁影响,生长出复杂的微观组织形态。“无容器”顾名思义,就是不用容器承载,使物体在悬空的状态下实现熔炼的过程。“‘无容器’避免了坩埚等实验容器的器壁对材料表面的接触和污染,能够抑制异质形核(依附于液态金属中某些杂质质点或者某些面形核),获得深过冷。空间的‘无容器’还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层,利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备,利于熔体材料参数测量。”中科院上海硅酸盐研究所的科研人员表示。

“无容器”,最关键是要让物质克服重力,脱离与周围物质的接触。在地面目前有四种常用手段:静电悬浮、气悬浮、声悬浮、磁悬浮。在太空中实现“无容器”主要通过静电悬浮的手段。中科院上海硅酸盐研究所的科研人员介绍,在空间实现“无容器”的难点主要是:浮得住、控得稳——要能将样品稳定、精确地悬浮在实验位置,以此获得稳定的样品状态。此外,研制团队还需要克服将样品预先极化,也就是给样品带上电荷的难点,因为只有将样品带上适合的电荷、样品才能受到静电场库仑力作用。

地面实时监控实验进程

记者获悉,目前无容器材料实验柜安排了9项空间材料科学实验。“它采用半导体激光器和二氧化碳激光器耦合激光加热技术,可将具有不同激光吸收波长的金属、非金属加热到3000℃以上。”科研人员说。这么高的温度,又没有重力的干扰,简直堪比“太上老君的炼丹炉”了。

无容器实验柜样品球采用批量样品盒,一个样品盒能容纳多个样品。每个样品完成无容器悬浮状态的加热熔化、参数测量、过冷凝固等实验过程后,通过位置控制将悬浮样品移动到样品回收入口处,然后通过前后推杆将样品夹持住,最后推送到样品盒内的样品存储位置。科研人员透露,未来,航天员对无容器材料实验柜的在轨操作主要是进行样品盒更换。实验过程中不需要航天员直接操作,主要通过注入指令执行,地面工作人员可以实时监控实验进程。

据了解,此后,我国将陆续发射问天实验舱和梦天实验舱,三个舱组合成一个T字形构型,将在未来十几年内支持大量科学研究和实验。中国空间站的三个舱段舱内共布置了13个实验柜,支持空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理等广泛领域的空间科学实(试)验研究。

本报记者 郜阳

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