中国航天员将在天宫二号上操作材料科学实验

在天宫二号空间实验室中，中国的科学家们将开展一系列材料科学实验，航天员将多次操作更换并回收实验样品供地面进一步分析研究。

在太空的微重力环境下，很多材料的形成过程会发生改变从而导致最终材料的性能变化。因而，科学家们希望能够到太空中去研究和制备材料，也期望生产出在地球上难以制造出来的高性能材料或独特的材料。

中科院物理研究所研究员、载人航天工程空间材料科学分系统主任设计师潘明祥介绍，天宫二号上将开展包括半导体光电子晶体材料、纳米复合和新型金属基复合材料等在内的12项材料的生长与制备。

科学家们希望能够利用微重力环境生长出缺陷少、性能更优异的晶体和合金，如微纳米尺度结构更均匀一致的纳米复合材料、界面结构与地面有差异的新型复合材料，以及地面难以获得的组分均匀的高性能化合物半导体光电子晶体。

科学家计划使用天宫二号上的综合材料实验装置进行18个样品的空间实验，分3批次进行，每批次6个。第一批次样品随材料实验炉在天宫二号发射升空后直接在舱内进行实验。待天宫二号与神舟十一号交会对接之后，由航天员进行材料实验炉的开盖换样品操作，这将是中国航天员首次进行在轨操作的空间材料科学实验。

航天员在轨将完成两次开盖换样品的操作，之后将完成实验的两批样品带回地面，供科学家解剖分析研究。第3批次的6个样品将留轨进行装置热特性测量的实验，数据传回地面进行分析研究。

为了开展这些实验，科学家们研制了一个独特的“炉子”。

《西游记》中，孙悟空被太上老君放在八卦炉中炼了49日，炼成金子心肝、银子肺腑、铜头铁背、火眼金睛。另外《西游记》中许多顶级装备，比如金箍棒、九齿钉耙和紫金铃等，都是出自八卦炉。

而天宫二号上的综合材料实验装置就好比一个21世纪的“八卦炉”。

工程人员历经三年多攻关研制出的这个约27.6公斤的炉子，最大功耗仅相当于2个100瓦的白炽灯，却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度。虽然炉内有这样高的温度，但炉外表面却不会烫到航天员。

炉子的整个结构类似于一把左轮手枪，空间材料的制备和处理就是在高温“枪管”中完成。通过控制“枪管”中的温度，可实现材料的熔化和凝固，从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料。

图为天宫二号综合材料实验装置漫画。

样品管理单元的核心是存储样品的“样品管理仓”。样品管理仓类似于左轮手枪的“弹夹”，它一次能够装6颗“子弹”，即能够完成6种材料样品的高温制备和处理。

由于空间资源的限制，“弹夹”不能做得很大。这就需要航天员开盖更换样品了。

形似“弹夹”的样品管理仓漫画。

未来太空工厂能实现吗？

尽管美国、俄罗斯等国家已经在太空开展了多次材料实验，但是在太空中制备出来的材料目前还几乎没有真正得到应用。“虽然人类已经做了数千次的太空材料实验，但相比地面的实验还是非常之少。”潘明祥说。

潘明祥介绍，广泛应用于集成电路芯片制造的半导体材料——高质量的大尺寸硅单晶是在磁场下生长的，这一想法就来自于太空实验的启迪。

他说，空间材料科学目前依然处于以基础研究为主的阶段，科学家们还不清楚微重力环境下的对流受抑制使得材料的形成过程如何发生改变，以及材料的微观结构在太空环境下会发生哪些变化。如果材料性能真的改善了，那么是什么原因造成的？是微重力下的对流得到有效控制了，还是其他的原因？在地球上是否有办法模拟出空间的效应？这些都需要研究。

另外，即使在太空生产的材料的质量、性能比地球上好，但是目前的生产成本还太高，性价比还难以与地面制备出的材料竞争。

尽管如此，潘明祥说：“一旦有了可重复使用的运载火箭和飞船，人类进入太空的成本将大为下降，我认为对于一些特殊应用需求，太空工厂在未来是有可能实现的。”