3月23日下午，“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進行授課。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“科學(xué)實驗重器”——“無容器材料實驗柜”和“高微重力科學(xué)實驗柜”，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》采訪時表示：“目前，兩個科學(xué)實驗柜運行良好，已經(jīng)取得一些新發(fā)現(xiàn)。更多科學(xué)實驗設(shè)施也將在今年發(fā)射的‘問天’‘夢天’實驗艙中安排上，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了面前的懸浮實驗臺。出乎意料的是，實驗臺沒有直接飄走，而是略微移動后又穩(wěn)穩(wěn)地回到原位。
懸浮實驗臺正是高微重力科學(xué)實驗柜的一部分，這一實驗柜將為科學(xué)實驗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)實驗柜研制中，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數(shù)量級，達到10-7g水平。
張偉介紹，為實現(xiàn)如此高的微重力水平，科研人員設(shè)計了雙層實驗系統(tǒng)，通過外層噴氣、內(nèi)層磁懸浮的設(shè)計，讓實驗系統(tǒng)“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動，完成微重力水平的極限挑戰(zhàn)?？茖W(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，隔離外部的各種擾動力。
航天員在太空中親身體會到高微重力科學(xué)實驗柜的精妙。葉光富展示的視頻中，實驗臺被施以外力后位置移動，能夠自動瞄準(zhǔn)實驗柜上的靶標(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驗。一顆金屬小球懸浮在實驗腔體中，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，實驗完成。
這便是無容器材料實驗。通常熔煉物質(zhì)都需要使用容器承載熔體，往往會引入雜質(zhì)，在熔體凝固過程中，會受器壁影響，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，使實驗樣品在懸浮的狀態(tài)下實現(xiàn)熔煉的過程，能夠抑制異質(zhì)形核，獲得深過冷?？臻g的“無容器”實驗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》，為實現(xiàn)材料生長的“無容器”環(huán)境，科研人員基于先進的靜電懸浮技術(shù)開發(fā)了一套全新的無容器材料實驗柜。“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)試較快實現(xiàn)了懸浮樣品控制。”他說。
目前，基于無容器材料科學(xué)實驗柜開展的科學(xué)項目正在進行中。“科學(xué)家已經(jīng)對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，“和地面實驗比起來，太空科學(xué)實驗重復(fù)的機會較少，取得成果并發(fā)表論文可能需要更長的時間。”
據(jù)介紹，無容器材料實驗柜的第一批樣品已經(jīng)隨神舟十二號回到地面，目前還有10多個科學(xué)研究項目已在地面準(zhǔn)備中，等待隨貨運飛船抵達太空。
更多科學(xué)實驗要“上天”
今年，“問天”“夢天”實驗艙將陸續(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)實驗柜的研制，正在開展集成及艙內(nèi)測試工作，進展順利。其中，“問天”實驗艙的科學(xué)實驗柜已交付平臺，完成整艙測試。而“夢天”實驗艙的科學(xué)實驗柜數(shù)量更多，整柜試驗已完成，正在開展整艙測試。
“科學(xué)家將利用更多的科學(xué)實驗柜在太空開展生命科學(xué)實驗，細(xì)胞、植物、動物都有希望‘上天’，同時流體實驗、顆粒物和氣體的燃燒實驗等也將展開。”張偉向《中國科學(xué)報》介紹。
其中，“問天”實驗艙中將開展植物、動物、微生物細(xì)胞等多項生命科學(xué)實驗，還包括一個由魚、微生物、藻組成的小型密閉生態(tài)系統(tǒng)。
“夢天”實驗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)射的天宮二號空間實驗室上實現(xiàn)了3000萬年誤差小于1秒的世界首臺空間冷原子鐘。目前中國科學(xué)家在地面冷原子鐘實驗的精確度已經(jīng)超過天宮二號的冷原子鐘。
中國空間站還將擇機發(fā)射“巡天空間望遠(yuǎn)鏡”，與空間站共軌長期獨立飛行，開展巡天觀測，有望對太陽系外行星及宇宙演化問題取得新發(fā)現(xiàn)。
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