天宮二號上的「八卦煉丹爐」

■本報記者 黃辛

11月18日下午，兩名航天員乘坐神十一返回地面，並帶回了珍貴的「天外來物」：兩批次共12支材料科學實驗樣品。當晚9點左右，中科院上海硅酸鹽所的科研人員就拿到了這些完成太空實驗的材料，後續將交給科學家進行詳細的性能測試和分析。

11月19日，在上海科普大講壇上，天宮二號綜合材料實驗裝置研製項目主管設計師、上海硅酸鹽研究所高級工程師艾飛博士向公眾解密了盛放這些「天外來物」的「八卦煉丹爐」。

作為中國載人航天領域最為關鍵的承上啟下環節，天宮二號是真正的空間實驗室。在這個面積只有「一室一廳」的實驗室里，要完成數十項實驗任務，其中有個重頭戲就是在太空中製備高性能材料。上海硅酸鹽所牽頭研製的「八卦煉丹爐」是一隻「身高」半米、體重約21公斤的「黑爐子」，學名叫作材料實驗爐。據艾飛介紹，該試驗爐高效、節能，只用100瓦（差不多一隻燈泡的功率）就可以實現將近1000℃的高溫，這是採用了多種絕熱保溫專利技術才能達到的效果。

如果戴上「透視眼」深入煉丹爐，「左輪手槍」式的結構設計巧妙別緻。它可以一次性將6種材料同時裝進「彈夾」，扣動「扳機」開關，實驗材料依次自動進入高溫的「槍管」中，完成材料的生長過程。此次，天宮二號的材料實驗中，航天員兩次手工開啟「八卦煉丹爐」，進行樣品更換，從而完成12種新材料實驗。

「我們的科學家將進一步測試和分析研究太空環境合成的這些材料到底有哪些神奇之處。」艾飛表示，這12樣來自太空「八卦煉丹爐」的材料包括金屬合金、半導體材料、功能晶體、薄膜和複合材料等。太空中的微重力、超潔凈、超高真空等特殊條件，構成了理想的材料實驗環境。經過天宮二號上「八卦煉丹爐」65天的煉製，新材料組分預期會更均勻，性能比地面更好。

「材料科學家對太空中的微重力條件十分嚮往。」艾飛說。比如不少材料科學家最想得到的是像火龍果一樣內部顆粒均勻分布的材料。然而，日常用品大多數是兩種以上的元素組成的，在重力作用下，合成時密度大的元素下沉，密度小的元素在上，材料就形成了分層，這種不均勻就會使材料的質量和性能不高。太空微重力下的材料合成能夠避免這種分層問題，得到類似火龍果式的結構。

在太空環境下，很多材料的形成過程會發生改變，從而導致最終材料的性能變化。天宮二號完成了半導體光電子材料、功能晶體、納米介孔材料和新型金屬基複合材料等12種新材料實驗，所有材料實驗樣品均為國內首次，更是未來世界的「英雄材料」，為新一代光纖通信、高能物理及核醫學成像、大飛機發動機的高溫渦輪葉片等帶來「未來之光」。

人類第一次太空材料實驗始於1969年。迄今為止，美國、俄羅斯、歐洲等已經完成了上千次的太空材料實驗。而我國從1987年利用返回式衛星開展首次太空材料科學實驗以來，共計完成材料實驗僅十幾次，獲得材料樣品幾十種，實驗次數和樣品數量相對較少。

雖然我國太空材料實驗起步較晚，但後發優勢越發強勁，艾飛說。預計到2022年前後，我國的載人空間站將會基本建成，那時一年就有可能做幾十到上百種材料的實驗，超過我國過去近30年太空材料實驗樣品的總和，讓人嚮往。

「目前在我國的空間站上規劃的材料實驗有兩個大的機櫃：高溫材料科學實驗櫃和無容器材料實驗櫃。」艾飛說，這些機櫃是一個比冰箱大一些的集材料合成、製備、加工、分析、處理、測試於一體的綜合實驗平台，可在軌運行10年甚至更長時間。一旦有了這樣的長期實驗平台，科學家和工程師們才能夠開展更加細緻和深入的材料實驗研究。

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