3月23日下午，“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進(jìn)行授課。這是中國空間站的第二次太空授課。
課堂上，航天員展示了兩個(gè)“科學(xué)實(shí)驗(yàn)重器”——“無容器材料實(shí)驗(yàn)柜”和“高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜”，它們都是正宗的“中科院制造”。
中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉在“天宮課堂”位于中國科技館的地面主課堂現(xiàn)場接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示：“目前，兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜運(yùn)行良好，已經(jīng)取得一些新發(fā)現(xiàn)。更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施也將在今年發(fā)射的‘問天’‘夢(mèng)天’實(shí)驗(yàn)艙中安排上，令人期待！”
“懸浮”的“高微重力”
“天宮課堂”上，航天員葉光富打開一段此前拍攝的視頻，畫面中他用手輕輕推動(dòng)了面前的懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)。出乎意料的是，實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒有直接飄走，而是略微移動(dòng)后又穩(wěn)穩(wěn)地回到原位。
懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)正是高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的一部分，這一實(shí)驗(yàn)柜將為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供地面上難以得到的極限條件。
不過，中國空間站的微重力狀態(tài)則并非一種絕對(duì)的微重力，而是源于航天器受到的合力和航天器繞地球軌道飛行的向心力相等。
一般而言，空間站的微重力水平大約在10-3g至10-5g。而在高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜研制中，中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員將微重力水平提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10-7g水平。
張偉介紹，為實(shí)現(xiàn)如此高的微重力水平，科研人員設(shè)計(jì)了雙層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過外層噴氣、內(nèi)層磁懸浮的設(shè)計(jì)，讓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動(dòng)，完成微重力水平的極限挑戰(zhàn)。科學(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，隔離外部的各種擾動(dòng)力。
航天員在太空中親身體會(huì)到高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的精妙。葉光富展示的視頻中，實(shí)驗(yàn)臺(tái)被施以外力后位置移動(dòng)，能夠自動(dòng)瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)柜上的靶標(biāo)，通過噴氣調(diào)整抵抗干擾。
“無容器”柜有新發(fā)現(xiàn)
課堂上，王亞平視頻展示了鋯金屬熔化與凝固實(shí)驗(yàn)。一顆金屬小球懸浮在實(shí)驗(yàn)腔體中，經(jīng)過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)完成。
這便是無容器材料實(shí)驗(yàn)。通常熔煉物質(zhì)都需要使用容器承載熔體，往往會(huì)引入雜質(zhì)，在熔體凝固過程中，會(huì)受器壁影響，生長出復(fù)雜的微觀組織形態(tài)。“無容器”顧名思義，就是不用容器承載，使實(shí)驗(yàn)樣品在懸浮的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過程，能夠抑制異質(zhì)形核，獲得深過冷。空間的“無容器”實(shí)驗(yàn)樣品還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利于亞穩(wěn)態(tài)材料和新型功能材料的開發(fā)制備。
張偉告訴《中國科學(xué)報(bào)》，為實(shí)現(xiàn)材料生長的“無容器”環(huán)境，科研人員基于先進(jìn)的靜電懸浮技術(shù)開發(fā)了一套全新的無容器材料實(shí)驗(yàn)柜。“樣品在加溫的過程中所帶的電荷不斷變化，想要讓它保持懸浮狀態(tài)難度非常大，我們的科學(xué)家經(jīng)過調(diào)試較快實(shí)現(xiàn)了懸浮樣品控制。”他說。
目前，基于無容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜開展的科學(xué)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。“科學(xué)家已經(jīng)對(duì)一些樣品開展了深入研究，例如圍繞鋯的融化、冷卻凝固過程，并且取得了一些新發(fā)現(xiàn)。”張偉表示，“和地面實(shí)驗(yàn)比起來，太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)重復(fù)的機(jī)會(huì)較少，取得成果并發(fā)表論文可能需要更長的時(shí)間。”
據(jù)介紹，無容器材料實(shí)驗(yàn)柜的第一批樣品已經(jīng)隨神舟十二號(hào)回到地面，目前還有10多個(gè)科學(xué)研究項(xiàng)目已在地面準(zhǔn)備中，等待隨貨運(yùn)飛船抵達(dá)太空。
更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)要“上天”
今年，“問天”“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙將陸續(xù)發(fā)射，中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心已經(jīng)完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的研制，正在開展集成及艙內(nèi)測試工作，進(jìn)展順利。其中，“問天”實(shí)驗(yàn)艙的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜已交付平臺(tái)，完成整艙測試。而“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜數(shù)量更多，整柜試驗(yàn)已完成，正在開展整艙測試。
“科學(xué)家將利用更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜在太空開展生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，細(xì)胞、植物、動(dòng)物都有希望‘上天’，同時(shí)流體實(shí)驗(yàn)、顆粒物和氣體的燃燒實(shí)驗(yàn)等也將展開。”張偉向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。
其中，“問天”實(shí)驗(yàn)艙中將開展植物、動(dòng)物、微生物細(xì)胞等多項(xiàng)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，還包括一個(gè)由魚、微生物、藻組成的小型密閉生態(tài)系統(tǒng)。
“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙中將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，如果成功，將成為太空中最精準(zhǔn)的時(shí)間頻率系統(tǒng)，數(shù)億年誤差小于1秒。
張偉介紹，此前中國科學(xué)家曾在2016年發(fā)射的天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上實(shí)現(xiàn)了3000萬年誤差小于1秒的世界首臺(tái)空間冷原子鐘。目前中國科學(xué)家在地面冷原子鐘實(shí)驗(yàn)的精確度已經(jīng)超過天宮二號(hào)的冷原子鐘。
中國空間站還將擇機(jī)發(fā)射“巡天空間望遠(yuǎn)鏡”，與空間站共軌長期獨(dú)立飛行，開展巡天觀測，有望對(duì)太陽系外行星及宇宙演化問題取得新發(fā)現(xiàn)。
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