太空「八卦爐」煉的是什麼「英雄材料」？
導讀
中國真正意義上的空間實驗室「天宮二號」即將發射，它是中國空間站的前身，為建造更為複雜的空間站做準備工作。在這個太空實驗室里，中國科學家將開展10多項科學實驗和觀測，大多數是當今世界最前沿的探索領域。
「我報道」近日陸續推出科普文章，為你介紹都有哪些「不明覺厲」的實驗登上了「天宮二號」。
到太空去研究和製備材料，會發生怎樣奇妙的事情？這也是「天宮二號」空間實驗室要探索的事情。
在太空的微重力環境下，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。因而，科學家們希望能夠到太空中去研究和製備材料，也夢想生產出在地球上難以製造出來的高性能材料或獨特的材料。
在「天宮二號」空間實驗室中，中國的科學家們將開展一系列材料科學實驗，所有材料實驗樣品均為國際首次，航天員將多次操作更換並回收實驗樣品供地面進一步分析研究。
中科院物理研究所研究員、載人航天工程空間材料科學分系統主任設計師潘明祥介紹，「天宮二號」上將開展包括半導體光電子晶體材料、納米複合和新型金屬基複合材料等在內的12項材料的生長與製備。
科學家們希望能夠利用微重力環境生長出缺陷少、性能更優異的晶體和合金，如微納米尺度結構更均勻一致的納米複合材料、界面結構與地面有差異的新型複合材料，以及地面難以獲得的組份均勻的高性能化合物半導體光電子晶體。
未來世界的「英雄材料」
為了幫助大家理解這些拗口的實驗材料名稱，科學家們根據它們的特點和漫威宇宙中的「超級英雄」對應起來：
01 多晶碲化鋅(ZnTe)：這種材料未來將幫助我們製造更高效且靈敏的外太空探測器
02 介孔基納米複合材料：期待更加完美的光通信材料
03 多組元復相合金：1+1+1>3，更輕、更小、運行速度更快的電子設備
04 單晶金屬合金：更輕、更硬、更完美的未來合金材料
05 閃爍材料：沒有它，骨科醫生可再也看不到X光片
06 新型金屬基複合材料：古代十八般武器要是用了這種材料……
07 鐵電薄膜紅外焦平面列陣：用熱成像看清世界的每一絲細節
08 紅外探測器材料：未來戰場的千里眼
09 磁性半導體：小小自旋，翻轉天地——未來自旋電子器件
10 高性能熱電半導體：新一代的控溫大師
11 偏晶合金空間定向凝固：一言不合，換個模式凍起來
12 材料製備實驗裝置熱分析實驗和模型研究：上述材料沒有我進行熱平衡，材料寶寶們都會夭折在搖籃里哦
航天員要操作21世紀的「八卦爐」
科學家計劃使用「天宮二號」上的綜合材料實驗裝置進行18個樣品的空間實驗，其分3批次進行，每批次6個。第一批次樣品隨材料實驗爐發射升空後直接在艙內進行實驗，待交會對接之後由航天員進行材料實驗爐的開蓋換樣品操作，這將是中國航天員首次進行在軌操作的空間材料科學實驗。
航天員在軌將完成兩次開蓋換樣品的操作，之後將完成實驗的兩批樣品帶回地面，供科學家解剖分析研究。第三批次的6個樣品將留軌進行裝置熱特性測量的實驗，數據傳回地面進行分析研究。
為了開展這些實驗，科學家們研製了一個獨特的「爐子」。
《西遊記》中，孫悟空被太上老君放在八卦爐中煉了49日，煉成金子心肝、銀子肺腑、銅頭鐵背、火眼金睛。另外《西遊記》中大部分頂級裝備，比如金箍棒、九齒釘耙和紫金鈴等，都是出自八卦爐。
而「天宮二號」上的綜合材料實驗裝置就好比一個21世紀的「八卦爐」。
工程人員歷經三年多的攻關研製出的這個約27.6公斤的爐子，最大功耗僅相當於2個100瓦的白熾燈，卻能實現真空環境下最高950攝氏度的爐膛溫度。雖然爐內有這樣高的溫度，但爐外表面卻不會燙到航天員。
爐子的整個結構類似於一把左輪手槍。槍管中最高可加熱到950℃的高溫，空間材料的製備和處理就是在這個高溫槍管中完成的。通過控制槍管中的溫度，可實現材料的熔化和凝固，從而在空間微重力條件下製備出地面難以合成的高質量材料。
樣品管理單元的核心是存儲樣品的「樣品管理倉」。樣品管理倉類似於左輪手槍的「彈夾」，它一次能夠裝6顆「子彈」，即能夠完成6種材料樣品的高溫製備和處理。
由於空間資源的限制，「彈夾」不能做那麼大。那麼怎麼辦呢？這就需要航天員出場了。
那麼航天員在太空具體是怎麼操作的？先展開材料樣品工具袋並固定在側面版上，打開蓋子，按照標識取出一個樣品，放到樣品工具袋的空位上，再把樣品工具袋中的一個放到「彈夾」空位中，如此反覆。換完了，合上爐蓋。
未來太空工廠能實現嗎？
儘管俄羅斯、美國等國家已經在太空開展了多次材料實驗，但是在太空中製備出來的材料目前還幾乎沒有真正得到應用。「雖然人類已經做了數千次的太空材料實驗，但相比地面的實驗還是非常之少。」潘明祥說。
潘明祥介紹，廣泛應用於集成電路晶元製造的半導體材料——高質量的大尺寸硅單晶是在磁場下生長的，這一想法就來自於太空實驗的啟迪。
他說，空間材料科學目前依然處於以基礎研究為主的階段，科學家們還不清楚微重力環境下的對流受抑制使得材料的形成過程如何發生改變，以及材料的微觀結構在太空環境下會發生哪些變化。如果材料性能真的改善了，那麼是什麼原因造成的？是微重力下的對流得到有效控制了，還是其他的原因？在地球上是否有辦法模仿出空間的效應？這些都需要研究。
另外，即使是在太空生產的材料其質量、性能比地球上好，目前的成本還太高，性價比還難以與地面製備出的材料相競爭。
儘管如此，潘明祥說：「一旦有了可重複使用的運載火箭和飛船，人類進入太空的成本大為下降，我認為對於一些特殊應用需求，太空工廠在未來是有可能實現的。」
試想某一天，在空間站里，基於綜合材料實驗裝置的高端生產設備將被建成。到那時，可能一些地球上急需，但又無法製備的關鍵材料，將通過科學家的遠程操控在太空生產出來。
致謝：
中科院物理所、中科院上海硅酸鹽所、航天科技集團510所、西北工業大學、中科院國家空間科學中心、中科院上海技術物理研究所、中科院半導體研究所、中科院金屬研究所、中科院蘭州技術物理研究所、中科院空間應用工程與技術中心（總體部）
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