艾飞 中国科学院上海硅酸盐研究所 空间材料科学与实验技术课题组长 中国科学院太空制造技术重点实验室副主任

为什么顶尖大国不惜砸锅卖铁也要去太空做实验?

造就 TALK · 2019-04-18 · 16:56:58

造就第419位讲者 艾飞

中国科学院上海硅酸盐研究所

空间材料科学与实验技术课题组长

中国科学院太空制造技术重点实验室副主任

刚过去的2018年,对于全世界的航天人来说都是波澜壮阔的一年。

不仅是商业航天的元年,这一年,在时隔27年后,人类的航天发射次数再一次突破了100次大关,而上一次还得追溯到1991年。

2018年,我们中国的航天发射次数以39次的成绩,首次超过美国的34次。

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今天很多人意识到,航天不仅仅是走出地球摇篮的必经之路,也不仅仅是为了满足探索未知宇宙的好奇心。实际上决定着我们整个人类的终极命运。

太空实验室里的日常

过去几十年的太空探索,不但极大地拓展了全人类认知的边界,收获了不少造福地球生活的新发明,也积累了一系列飞往宇宙深处的关键技术。

在这当中,国际空间站是持续开展太空科学探索的典型代表和集大成者,也是人类的凌霄宝殿,可以把它想象成是悬浮在太空中的一个超大号实验室。

宇航员整天在国际空间站里都忙碌哪些科学实验呢?可以举两个形象一点的例子。

第一个是植物研究,比如在太空中如何解决长期的口粮问题。

第二个是材料研究,利用太空的特殊环境,希望可以合成一些新型的材料、改变人类的生活。

很多人关心,为什么要千里迢迢地在太空中去做材料科学实验呢?

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这几张是地面上常见的现象,浮力、对流、沉降和静水压,它们产生的主要原因就是地球的重力作用,这些效应在材料合成的时候容易造成组份的不均匀、分层、缺陷,最终材料的质量和性能就不会太好。

比如说沉降效应,我们日常中用的东西大多数是两种以上的元素组成的,在熔化制造它的时候,重的、密度大的元素往下沉,轻的在上面,最后整个材料上下就不均匀甚至分层了,这样它的性能就不会太好。

材料科学家天然本能地有点讨厌这种图形,但偏偏在地面常常很难避免,他们最想得到的结构图形实际上有点像这个火龙果,里面的黑点是均匀分布的。

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我们知道在太空微重力的环境下,物体颗粒可以呈现悬浮的状态,所以火龙果式的结构是很容易获得的。

致命的太空为什么又是最稀缺的资源?

太空特殊的环境里其实蕴含了极大的宝藏,对于材料实验来说特别有用。

太空一般是指距离地面100公里以外这样一个外层的宇宙空间,在卡门线以外的太空中有什么特点?

第一是微重力。人所感受到的重力是地球表面的万分之一、十万分之一,甚至更小。

第二是超高真空。没有可以呼吸的空气,在一个冰箱这么大的体积里面你能找到的,也就是几个原子或分子。

第三是超洁净、一尘不染。所以不用打扫卫生了,也绝对不会吸到雾霾了。

第四是强辐射。在大气层以外,紫外线以及高能宇宙射线都非常致命,所以你抹这个防晒霜什么的,肯定没有用。

第五是超低温。动不动就是零下两百多度,非常冷。

这一点我们的苏轼老祖宗,虽然他没有去过太空,但他说得是对的,有一首词《水调歌头》说:“唯恐琼楼玉宇,高处不胜寒。”

这样一看,太空不是很危险吗?没法待呀,怎么还蕴含宝藏了呢?

实际上,这每一种极端特殊的条件对于科学技术的探索都非常有用,而在地面上普通的技术手段却非常难以实现。

几十年来,世界上各个航天大国都纷纷抢占太空的制高点,来寻求太空资源利用和开发,有了太空这样非常特殊的条件,科学家才可以在上面大展身手、尝试各种新的探索。

到今天,我们可以基本上了解到在太空中做材料合成有不少的好处,因为在太空微重力下,有希望能够获得更高完整性、更高均匀性、更高纯度、更大尺度的材料样品。通俗来讲,材料的质量和性能在太空中要比地上要更好。

昨天、今天、明天

太空中的第一次材料实验是苏联人做的,也就是在美国人首次登月之后的三个月,1969年的10月,他们在联盟六号飞船上进行了金属材料的焊接实验,这个是任务的徽章。

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两年以后,美国人在阿波罗十四号上做了一个复合材料的铸造实验。这是他们的第一次。

再过了16年,我们中国才在第九颗返回式卫星上开展了首次材料实验。之后整个90年代,我们利用卫星又先后进行了五次类似的实验。

到了这个世纪初,我们在神舟二号、三号飞船上又开展了一系列的空间晶体的生长、观察和材料合成实验;之后在神舟七号飞船上做了固体润滑材料的空间环境实验;在天宫一号上面进行了胶体晶体的材料生长实验。

最近的2016年,我们在实践十号卫星以及天宫二号空间实验室上面,开展了迄今为止我国最大规模的、最长时间的材料实验研究。

到目前为止,美国、俄罗斯、欧洲,也完成了上千次的太空材料实验,所以我们国家整体上到太空做实验的次数还是偏少,机会非常宝贵。

国际空间站是从1994年开始建设,到2011年才完全建成,有16个国家参与。目前美国、俄罗斯、欧洲、日本在国际空间站上建立了多种多样先进的实验装备,开展了深入的材料科学研究,收获颇丰。

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可以说,国际空间站是人类科学技术和大型建造工程的结晶。但非常遗憾,它即将于2024年退役。

我们国家在天宫二号实验室之后进入了一个空间站的建设阶段,目前正在紧锣密鼓地开展设计和研制工作,预计到2022年就会翱翔在太空。

我们的建造时间算下来是三到四年,远远少于国际空间站的17年,这也体现了我们中国速度和中国效率。

到2024年国际空间站退役之后,中国的空间站就将是整个太空中唯一的空间站了。

我们国家最近的一次实验,是在天宫二号空间实验室上完成的,开展实验的这套装备叫综合实验材料装置。

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实际上它是三兄弟。所谓的八卦炼丹炉是大哥,学名叫材料实验炉,我们给它取了一个外号叫“火种”。它能提供一个高温的热环境,其核心的温度很高,材料实验就是在它里面完成的。

还有二哥,叫材料电控箱,是系统控制和运行的大脑,神机妙算,所以我们也取了一个外号叫“智机”。

三弟是材料样品带,这个是航天员更换和回收样品要用到它,外号“探囊”,希望航天员取放样品的时候,如同探囊取物一样方便。

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这是我们在神舟三号飞船上制备的材料结果之一。这是一种被称为硅酸铋的黄色晶体,上面是地面生长的,下面是太空生长的,右边对应的是显微镜照片,黑色表示材料里面的一种缺陷。

通过分析我们发现,太空中生长的晶体相比地面的晶体,缺陷密度低了一个数量级,结晶性更好。太空晶体的可见光的波段透过率比地面又有10%的提高。

从这个方面看,太空中制备的材料,质量和性能确实都更好。

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这个是另外一种材料的结果,是一种叫铝镍合金,上面是太空中制备的,下面是地面制备的,右边是剖开的断面照片。

可以看出来,太空中的铝合金表面更光滑,内部也更均匀致密,明显比地面的材料更好。

一代材料,一代器械,一代装备和产品

作为最最基础的材料,它其实一直在改变我们的生活。比如说目前大尺寸的、高质量的单晶硅,它实际上是用了旋转磁场技术,还有一些其他新型的半导体。

还有地面上开发了各种新型的悬浮加热技术,都得益于在太空中实验的结果。比如说新型的发动机的高温涡轮叶片,高性能的热电能源材料,高圆度的滚珠轴承材料。

还有新型光通信的材料。

我们还可以大胆地发挥想象,未来太空中的材料工厂也可能会是这样的。比如说,在太空中直接进行材料的3D打印、生产产品,针对某些非常有用的材料,在专门的太空实验室里面进行制造。

人类要进军外太空,将来完全有可能是这样的画面,在某一个小行星上面直接建材料工厂,就地取材、就地制造。这些其实都不是天方夜谈。

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人类的文明史其实就是材料的进化史。从最开始简陋的陶土到现在先进的半导体,从沉重的青铜器到轻盈的石墨烯,无不倾注着人类对材料制造工艺和性能的世代追求。

科幻中那些更强韧、更轻盈、更智能的通天法宝,回到其本源和核心,多半都指向了材料问题。比如说孙悟空齐天大圣的如意金箍棒,美国队长的盾牌、雷神之锤,金刚狼的利爪,还有蜘蛛侠的超强蛛丝等等,都是材料问题。

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今天以马斯克为代表的商业航天已经如火如荼,我们从来没有像现在这样,把目光转向了地球之外,对我们的太空对未来满怀极大的好奇心。

我们盼望着通过太空问道、潜心探究,能够获取材料制造的终极密码。人类文明必将因为材料的持续升级,迈入一个崭新的纪元。


文字:慕名而来

校对:其奇

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