神十八乘組開展科學實驗用了啥設備？一文了解→

中國空間站作為國家太空實驗室，在軌部署了國際一流的科學研究與技術試驗設施，無容器材料科學實驗櫃（以下簡稱“無容器材料實驗櫃”）就是其中之一。神舟十八號乘組在軌期間，利用無容器材料實驗櫃開展了空間材料科學領域的多項科學實（試）驗。

 

在“乘組周記”中可以了解到，三名航天員需定期對無容器材料實驗櫃進行實驗腔體樣品清理、實驗樣品更換、軸心機構電極維護等工作。“無容器”究竟有何特別之處？

 

為何開展空間材料科學研究？

 

空間材料科學是材料科學與空間技術相融合形成的一個交叉學科領域，主要研究內容是在外層空間以微重力、無容器、高真空和強輻射為特徵的超常環境中，探索各類材料的物理化學性質、相變過程規律、合成製備和加工成形原理及其最終服役性能。發展方向首先是利用外層空間的特殊環境條件進行材料科學研究，其次是為各類材料的空間應用奠定堅實的科學基礎。

 

無容器材料實驗櫃的關鍵技術是什麼？

 

 

△無容器材料實驗櫃示意圖

 

無容器材料實驗櫃位於空間站天和核心艙，是最早安排“上天”的實驗平臺之一。顧名思義，“無容器”就是不用容器承載，使實驗樣品在懸浮的狀態下實現熔煉的過程。

 

想像一下，熔融的金屬或者非金屬材料成為“液滴”，懸浮在空中，卻不會和容器壁接觸，加工後的材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態。那麼，如何讓樣品保持“懸浮”？

 

 

△無容器材料實驗櫃在核心艙內的位置

 

靜電懸浮技術便是無容器材料實驗櫃工作原理的關鍵，通過靜電場實現穩定的懸浮控制，避免實驗材料樣品與整個實驗腔體內表面的接觸。

 

 

△靜電懸浮技術

 

在地面實驗室，靜電懸浮是利用靜電場所提供的電場力來克服重力，從而實現無容器狀態。它可適用的材料種類廣泛，只要樣品産生了足夠多的電荷量就可實現懸浮，而且材料可在真空環境中保持穩定懸浮狀態，避免了介質的影響。

 

與電磁懸浮、超聲懸浮和氣動懸浮相比，靜電懸浮不存在電磁攪拌、超聲空化和氣流擾動，外場對樣品的影響很小。因此材料可在近似完全靜態環境中實現無容器熔化和凝固，從而使材料熔體易於獲得深過冷，便於對過冷態物理化學性質和凝固過程進行實時原位測定。

 

空間站靜電懸浮相較于地面靜電懸浮，不需要克服重力，僅需控制樣品位置，其原理是根據樣品位置變化，調控樣品庫侖力的大小和方向，使之動態“定位”于設定的位置。與地面實驗相比，所需要的電壓更小，對樣品的干擾遠小于地面實驗，進而提供更理想的科學實驗條件，例如微重力條件下，液態樣品更圓，樣品的振蕩更理想。

 

 

△科研人員在地面利用靜電懸浮實驗裝置開展相關實驗

 

無容器材料實驗櫃是如何工作的？

 

 

△無容器材料實驗櫃軸心機構內裝有實驗樣品

 

在實際運行中，每個樣品盒可容納29個樣品。每次實驗分為以下步驟：

 

①完成真空或者氬氣加壓的實驗環境準備，確保實驗在特定的氣體環境下進行，以模擬太空中的環境條件；

 

②樣品盒釋放樣品；

 

 

③位控系統捕獲釋放樣品，對樣品進行懸浮位置控制；

 

 

④啟動鐳射器加熱熔化樣品，對樣品可持續加熱到2000℃以上的高溫；

 

 

⑤周圍的物態測量相機開展比熱容、熱導率等熱物理性質參數測量；

 

⑥冷凝固樣品，並進入深過冷狀態，即高溫熔體在溫度低於其凝固點的情況下仍然保持液態狀態；

 

 

⑦位控系統將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前後推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內的樣品存儲位置。

 

 

在“天宮課堂”第二課中，神舟十三號乘組不僅介紹了無容器材料實驗櫃的科學原理，還通過視頻演示講解了“鋯金屬熔化與凝固”實驗。

 

 

△神舟十三號乘組在軌介紹無容器材料實驗櫃

 

作為實驗樣品的金屬小球懸浮在實驗腔體中，經過懸浮控制、鐳射加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環節後，實驗完成。

 

 

△神舟十三號乘組在軌介紹無容器材料實驗櫃

 

值得一提的是，實驗操作是一個天地協同的過程。航天員只需要取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒，在實驗過程中不需要進行直接操作，主要通過注入指令執行，地面工作人員就可以實時監控實驗開展。

 

 

△神舟十八號乘組在軌操作無容器材料實驗櫃

 

 

△神舟十八號乘組在軌操作無容器材料實驗櫃

 

在軌三年以來，無容器材料實驗櫃已開展多項關鍵研究項目。近期，利用空間站微重力環境開展的相分離合金凝固理論和相分離合金原位複合材料製備技術研究取得了重要的空間應用階段性成果。

 

研究團隊基於前期大量的地基研究，優化設計合金成分和凝固工藝，先後於天宮二號空間實驗室、神舟十三號、神舟十五號和神舟十六號飛行任務期間開展了空間相分離合金的凝固實驗，成功製備出第二相均勻彌散分佈的原位粒子複合材料樣品和具有殼-核結構的球形樣品，而相同凝固條件下的地面凝固樣品則呈現了偏析型組織。

 

 

△空間凝固合金呈現彌散型組織，地面凝固合金呈現偏析組織。(a) 初始凝固部位；(b) 試樣中部；(c) 最後凝固位置。

 

 

△空間樣品呈現完整的核-殼結構；地面樣品呈現了偏析型凝固組織。

 

多年天地協同研究，通過地基實驗、空間實驗和建模與模擬研究相結合，深入理解了相分離合金凝固組織形成過程和關鍵影響因素，發展了多種相分離合金凝固組織調控方法，為高性能相分離合金材料設計與製備打下了基礎，從而滿足大型機械、核電、船舶、輸電、電子等一些領域對特種材料的需求。

 

 

△科研人員展示在空間站凝固的實驗樣品

 

無容器材料實驗櫃有望實現對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料製備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等，對於地面材料的製備、提高高精度材料的生産工藝具有非常重要的意義。

 

未來，更多材料樣品將在此開啟關於“懸浮”的奇幻之旅。隨著空間材料科學的不斷發展，期待在太空中製備出更多性能優越的材料，廣泛應用於民眾的日常生活。