出品：科普中國

作者：中國科普博覽

監(jiān)制：中國科普博覽

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，太空不再僅僅是宇航員遨游的場所，更成為科學(xué)家們進(jìn)行前沿科學(xué)研究的重要平臺。其中，空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一項重要的研究領(lǐng)域，正在為人類帶來前所未有的材料革命。

太空：材料科學(xué)的新舞臺

在地球上，受重力影響，材料在熔融凝固成型過程中會出現(xiàn)自發(fā)沉降，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)缺陷或純度降低，從而影響其性能。然而，在太空微重力環(huán)境中，這一難題迎刃而解。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在太空微重力條件下，材料可以實(shí)現(xiàn)均勻受熱和均勻凝固，有望制備出性能更加優(yōu)越的材料。

從蘇聯(lián)和平號空間站開始，科學(xué)家就在空間站內(nèi)引入了在軌熔煉載荷，并在微重力環(huán)境下獲得了性能更為優(yōu)異的材料樣本。如今，在中國天宮空間站內(nèi)，有兩個材料科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置“無容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜”和“高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜”，正被科學(xué)家用于開展各種材料科學(xué)研究。

無容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

**無容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜位于天和核心艙內(nèi)，是最早進(jìn)入太空的實(shí)驗(yàn)平臺之一，部署在天和核心艙的頂部。**它通過靜電懸浮技術(shù)，讓實(shí)驗(yàn)樣品在沒有容器的情況下懸浮在腔體中間。這種無容器的環(huán)境，排除了外界對材料的影響，使得材料可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度和更大的過冷度，從而引發(fā)材料結(jié)構(gòu)的一些獨(dú)特性能的提升。

整個的實(shí)驗(yàn)過程非常神奇，激光器啟動后，對樣品可持續(xù)加熱到2000度以上的高溫，材料樣本熔化后，周圍的物態(tài)測量相機(jī)對其進(jìn)行測量。加熱結(jié)束后，小球快速冷卻凝固，進(jìn)入深過冷狀態(tài)，之后，通過靜電場控制回收。

在無容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中，科學(xué)家們已經(jīng)開展了針對鎳基高溫材料和鈮硅合金等關(guān)鍵材料的空間實(shí)驗(yàn)，鈮硅合金還是新一代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料。這些實(shí)驗(yàn)成果不僅促進(jìn)了高性能材料的研究和地面生產(chǎn)，更為未來的航空發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵領(lǐng)域提供了有力的支撐。

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

如果說無容器科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是研究材料物性的理想環(huán)境，那么高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜則是在太空制備材料的“夢工廠”。這個實(shí)驗(yàn)柜的主體是高溫爐，我們可以把它看作是“煉丹爐”，爐溫可以高達(dá)1600攝氏度。在這里，科學(xué)家們可以開展各種新型材料的研究和制備。

科學(xué)家根據(jù)材料熔點(diǎn)或性質(zhì)的不同，可以選裝不同型號的高溫爐。批量樣品管理模塊裝載了16個樣品盒，通過控制模塊來完成每一個樣品的實(shí)驗(yàn)，X射線透射成像設(shè)備可以讓地面科學(xué)家實(shí)時觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況。

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜支持研究的材料領(lǐng)域范圍非常廣泛，包括高溫金屬及合金材料、先進(jìn)半導(dǎo)體材料、功能晶體材料、能源材料、生物材料、納米材料以及地面上難以制備的新材料等。這些材料不僅與我們的日常生活息息相關(guān)，更在推動著人類社會的進(jìn)步與發(fā)展。

太空實(shí)驗(yàn)：引領(lǐng)材料革命

通過天宮空間站上的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們已經(jīng)取得了一系列令人矚目的成果。這些成果不僅揭示了太空微重力環(huán)境對材料制備的深遠(yuǎn)影響，更為未來的材料科學(xué)研究和應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

隨著太空技術(shù)的不斷進(jìn)步和空間實(shí)驗(yàn)平臺的不斷完善，我們有理由相信，新材料領(lǐng)域的下一場革命正在太空時代悄然到來。未來的太空材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)將更加注重多學(xué)科交叉和前沿技術(shù)的融合，推動材料科學(xué)向更高層次、更廣領(lǐng)域發(fā)展。

太空中的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)是人類探索未知、追求創(chuàng)新的重要體現(xiàn)。它讓我們看到了材料科學(xué)在太空這一全新環(huán)境中的無限可能，也讓我們對未來充滿了期待和憧憬。隨著科學(xué)家們的不斷努力和太空技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信我們將會在未來的某一天，見證這場材料革命的到來。

來源: 中國科普博覽

內(nèi)容資源由項目單位提供