三步走，“太空煉丹爐”煉出“仙丹”

　　近日，神舟二十號航天員乘組搭乘神舟二十一號載人飛船返回東風著陸場。據了解，神舟二十號乘組在軌期間完成多項任務，包括高溫材料實驗柜實驗樣品更換、無容器柜實驗腔體樣品清理及更換等工作。

　　其中的無容器材料實驗柜由我國自主設計，具有非常優異的性能。8月底，利用該實驗柜，科學家成功把鎢合金加熱到超過3100℃，創造了新的世界紀錄。何為“無容器”？它有哪些優勢？如何在太空“煉丹”？未來將有哪些新應用？帶著這些問題，《中國科學報》采訪了相關領域專家。

　　何為“無容器”

　　研究材料的物理化學性質，加熱、冷卻是核心手段。科學家通常使用電阻爐進行加熱，就像“烤紅薯”一樣，把樣品材料放進爐膛，利用電流通過電阻材料產生熱能，最高可以加熱到1200℃至1600℃。

　　但這種加熱方法有局限性，必須將樣品材料放入容器內進行。這就意味著，容器的性質要比樣品材料更穩定。不然，樣品材料還沒加熱至熔點，盛它的容器就先熔化了。即便容器沒有熔化，部分樣品材料也可能附著在容器壁上，而容器壁會對實驗過程形成干擾。

　　科學家想到了“無容器”的辦法——通過“懸浮術”讓熔融的金屬或者非金屬材料成為液滴，飄浮在空中。這時，液滴不會和容器壁接觸而受到污染，“純凈”材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態。

　　但這又帶來了新問題，即便懸浮著，地面的重力作用也會對樣品材料形成影響。比如對合金材料加熱時，不同物質受重力作用的影響不同，由此帶來密度沉降、加熱不均問題，往往會影響科學實驗的結果。

　　大家都期待能到太空中做實驗，最大程度地減少重力作用的影響。空間站的微重力環境讓液態金屬只受表面張力作用，自然收縮成完美球體，不易被外界干擾。

　　與此同時，中國空間站在緊鑼密鼓地建設中。作為中國空間站科學實驗的總體單位，中國科學院空間應用工程與技術中心于2014年開啟實驗柜的設計研制工作，為“天宮”量身打造了14個實驗柜，無容器實驗柜便是其中之一。

　　2022年12月31日，中國空間站全面建成，科學家的夢想成真。

　　“煉丹”三步走

　　無容器實驗柜就像一個大衣柜，高1.8米、寬約1米。上部中心位置是核心的實驗腔。圍繞實驗腔分布著激光加熱、位置控制、釋放回收、觀察與測量、供電與真空、實驗電控等功能部件。

　　要利用這個“太空煉丹爐”煉制“仙丹”，第一步是精準定位。

　　在太空中，脫離了重力的束縛，想讓樣品材料“乖乖聽話”，要先通過樣品釋放系統讓其精準運送到實驗腔內，再通過靜電懸浮術讓其保持懸浮狀態。

　　“進行加熱、冷卻等操作時，讓樣品材料穩定懸浮是個‘技術活’。有時升溫過快，樣品就‘溜走了’，這就需要逐步加熱。因此，研究者要根據樣品特性定制專屬的升溫、降溫方案。”中國科學院空間應用工程與技術中心研究員、實驗柜主任設計師張立憲介紹說。

　　第二步是“烈火”炙烤。

　　與太上老君用的六丁神火不同，在“太空煉丹爐”中，科學家用的是雙激光加熱法，即半導體激光和二氧化碳激光雙管齊下。兩種激光加熱方法各有優勢，半導體激光功率高、加熱速度快、耗能高，二氧化碳激光功率低、耗能低。

　　“對于一些氧化物材料，低于1000℃時，對半導體激光吸收效果不好，就需要先用二氧化碳激光器加熱；待其升至一定溫度后，再用半導體激光器加熱。”張立憲告訴《中國科學報》。

　　利用激光加熱，除了“熱得快”外，還有一大好處是“冷得快”。需要樣品材料冷卻凝固時，激光一停，立刻就能冷卻下來，沒有所謂的“余溫”。同時，通過調整激光參數，可使溫度控制更加精準，加熱與冷卻方式切換更加靈活。

　　第三步是原樣回收。

　　“煉丹”完成后，實驗柜的釋放回收系統能夠自動將實驗樣品回收到樣品盒中儲存。回收完成后，只需要航天員取出樣品盒即可。待到樣品盒返回地面后，再由相關領域的科學家繼續研究。

　　創下世界紀錄

　　8月底，科學家利用這一無容器材料實驗柜，成功把鎢合金加熱到超過3100℃，創造了新的世界紀錄。

　　金屬鎢是目前已知熔點最高的金屬，熔點高達3422℃。由于具有超高熔點，鎢及其合金能夠在核聚變反應堆等極端環境下使用。長期以來，鎢合金在超高溫度下的物理化學性質研究一直是科學界的難題。

　　在空間站里利用無容器材料實驗柜進行實驗，可以讓科學家在理想條件下，清晰觀測金屬材料在極端高溫下的真實演化過程，比如鎢合金熔化后怎么流動、冷卻時怎么結晶。

　　西北工業大學教授胡亮介紹，在空間站做鎢合金實驗主要有兩方面原因。一是空間站提供的微重力條件，可以使金屬鎢熔化后達到非常標準的球形狀態，對于精確獲取它的物理、化學性質非常有利。二是鎢密度非常高，加上其他元素后，在地面上制備會出現重的沉下去、輕的漂上來的現象。如果在空間站制備鎢合金，會達到組織和成分都高度均勻的狀態，幫助提升材料性能。

　　這項工作不僅驗證了我國自主設計的空間材料科學實驗柜具有非常優異的性能，也積累了大量超高溫材料在軌實驗的原始數據，將為新型鎢合金設計及其性能提升提供重要的理論依據。

　　未來，這項工作將幫助人們開發全新的耐高溫材料。鎢合金材料可能成為宇宙飛船的“鎧甲”，抵御穿越大氣層時的熊熊烈焰；也可能化作火箭發動機的“心臟”，在極端高溫下保持穩定運轉。