“八卦爐”、球形火焰揭秘夢天實驗“神器”

10月31日，中科院聯合優勢力量研制的8個科學實驗柜隨夢天實驗艙進入太空，里面配置了不少先進的實驗“神器”，將在微重力基礎物理、空間材料科學、微重力流體物理與燃燒科學等研究中發揮“神力”。

全新視角看量子世界

超冷原子物理實驗系統是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺，將為超冷原子物理研究提供長期在軌穩定運行的實驗系統。

該實驗柜將利用空間微重力環境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)工作物質的開放實驗系統。中科院上海光機所副研究員汪斌表示，該系統有望制備地面無法實現的距離絕對零度以上千億分之一度范圍內的超低溫量子氣體。

他指出，這種超低溫原子氣體將使人類觀測到肉眼可見的宏觀量子現象，原子與原子之間相互作用時間、物理場可對其操控時間、原子自由演化時間可增長3個數量級以上，為科學家提供了一個獨特窗口和全新視角來直接觀察其獨特的原子行為，以地面上不可能的方式進入量子力學的奇異世界。

全球首臺光鐘

高精度時頻實驗柜通過不同特性的原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統。該系統可產生高精度時間頻率信號，利用安置于艙外的微波和激光時間頻率傳遞載荷，向地面一定范圍傳遞高精度時間頻率信號。

中科院國家授時中心主任張首剛介紹稱，高精度時頻實驗柜作為“夢天”實驗艙內最復雜的科學實驗系統之一，由十三臺單機組成，其中包含全球首臺空間光鐘、全球首臺空間超窄線寬激光器，整個系統也將成為全球精度最高的空間時間頻率產生運行系統。

中科院上海技術物理研究所副所長舒嶸介紹稱，除此之外，該系統也包括微波和激光時間傳遞鏈路，配合原子鐘組，成為全球首套具有微波和激光雙鏈路的低軌航天器天地時間頻率比對系統。

未來，科學家利用超高精度的時間頻率信號，可以開展相關的基礎物理研究工作，如引力紅移的檢驗，精細結構常數的測量等實驗，為相對論等相關理論檢驗提供支撐。通過比對測量地面原子鐘，可以提高中國原子時精度；也可參加校準全世界守時原子鐘時間；有望填補洲際地面光鐘比對的技術空白，支撐時間單位“秒”定義的變更。

創造太空懸浮著的球形火焰

夢天實驗艙入軌后，空間站還可以開展燃燒實驗。沒有了重力的影響，火焰沒了方向，會呈現與地面不一樣的球形火焰，艙內安裝的燃燒科學實驗系統可以支持液體、固體、氣體三種類型燃料的燃燒，通過更換不同的插件，在微重力環境下對燃燒過程進行系統性研究，比如：使用高速攝像，及增強型相機，可以觀察火焰、碳煙、溫度場等從點火到燃燒的形成過程。

針對空間站燃燒實驗的安全性問題，專家表示并不危險。中科院工程熱物理研究所研究員鄭會龍指出，其最大燃燒量是三根蠟燭的大小，也就是100瓦。另外，實驗系統還配備了針對燃燒產生物質的排氣凈化系統。實驗過程中，航天員只需負責更換燃料或打開閥門等簡單操作，其他實驗流程都是自動完成。

燃燒科學實驗系統將在國際上首次進行微重力環境下的速度場檢測，并且綜合應用一系列先進的設備去探究燃燒的奧秘，為燃燒科學的基礎技術、空間站防火、燃燒材料合成、宇航動力技術發展等方向提供優秀的科研平臺。

材料制備“八卦爐”

高溫材料科學實驗柜可支持開展高溫金屬及合金材料、先進半導體材料、功能晶體材料、復合材料、生物納米材料、能源材料和新型特種材料的熔體生長和凝固科學實驗，為研究材料科學基礎科學問題和關鍵技術提供特有條件，可為解決中國發展高端裝備、大科學工程等關鍵科學問題和技術提供重要幫助。

其中，控制模塊是整個實驗裝置的大腦，負責整個裝置的運行指令控制；高溫爐模塊是“心臟”，可提供核心的加熱功能；批量樣品管理模塊是“手臂”，可以實現樣品的精確抓取、移動、定位等；X射線透射成像模塊是一雙“火眼金睛”，可以對實驗樣品進行透視和成像。

中科院上海硅酸鹽研究所研究員劉學超說，高溫材料柜最高加熱溫度達1600 攝氏度，可以批量自動化管理16支樣品，多項技術指標優于國際空間站同類實驗裝置。X射線透射成像實時觀察是該實驗柜又一特色，是國際上首次在空間站上行X射線實驗裝置，可實現材料熔融凝固過程的動態實時成像與觀察。

“天宮課堂”有望看到新的流體實驗？

從泡騰片實驗、液橋演示，到水球“變懶”實驗，流體現象的天地差異是“天宮課堂”的“常駐嘉賓”。為了更好地研究微重力環境中流體的運動規律，此次夢天實驗艙專門搭載了流體物理實驗柜。

中科院力學研究所研究員康琦表示，微重力環境下，流體運動表現出許多新規律，比如地球上燒開水時的熱對流現象，在太空微重力環境下會表現出極大的差異，流動結構、對流失穩過程的空間尺度和時間尺度大大增加，混沌轉捩途徑、湍流作用機制等需要通過太空實驗進行新的探索和發現。

實驗柜將從宏觀和微觀兩個層面開展研究，前者將觀測流體速度場、溫度場、濃度場、表面形貌，后者將測量分散體系、非牛頓流體的顆粒尺度、膠體晶體微觀結構、流變特性等。