為什麼頂尖大國不惜砸鍋賣鐵也要去太空做實驗?_風聞
造就-造就官方账号-发现创造力2019-04-04 09:17
造就第419位講者****艾飛
中國科學院上海硅酸鹽研究所
空間材料科學與實驗技術課題組長
中國科學院太空製造技術重點實驗室副主任
剛過去的2018年,對於全世界的航天人來説都是波瀾壯闊的一年。
不僅是商業航天的元年,這一年,在時隔27年後,人類的航天發射次數再一次突破了100次大關,而上一次還得追溯到1991年。
2018年,我們中國的航天發射次數以39次的成績,首次超過美國的34次。
今天很多人意識到,航天不僅僅是走出地球搖籃的必經之路,也不僅僅是為了滿足探索未知宇宙的好奇心。實際上決定着我們整個人類的終極命運。
太空實驗室裏的日常
過去幾十年的太空探索,不但極大地拓展了全人類認知的邊界,收穫了不少造福地球生活的新發明,也積累了一系列飛往宇宙深處的關鍵技術。
在這當中,國際空間站是持續開展太空科學探索的典型代表和集大成者,也是人類的凌霄寶殿,可以把它想象成是懸浮在太空中的一個超大號實驗室。
宇航員整天在國際空間站裏都忙碌哪些科學實驗呢?可以舉兩個形象一點的例子。
第一個是植物研究,比如在太空中如何解決長期的口糧問題。
第二個是材料研究,利用太空的特殊環境,希望可以合成一些新型的材料、改變人類的生活。
很多人關心,為什麼要千里迢迢地在太空中去做材料科學實驗呢?
這幾張是地面上常見的現象,浮力、對流、沉降和靜水壓,它們產生的主要原因就是地球的重力作用,這些效應在材料合成的時候容易造成組份的不均勻、分層、缺陷,最終材料的質量和性能就不會太好。
比如説沉降效應,我們日常中用的東西大多數是兩種以上的元素組成的,在熔化製造它的時候,重的、密度大的元素往下沉,輕的在上面,最後整個材料上下就不均勻甚至分層了,這樣它的性能就不會太好。
材料科學家天然本能地有點討厭這種圖形,但偏偏在地面常常很難避免,他們最想得到的結構圖形實際上有點像這個火龍果,裏面的黑點是均勻分佈的。
我們知道在太空微重力的環境下,物體顆粒可以呈現懸浮的狀態,所以火龍果式的結構是很容易獲得的。
致命的太空為什麼又是最稀缺的資源?
太空特殊的環境裏其實藴含了極大的寶藏,對於材料實驗來説特別有用。
太空一般是指距離地面100公里以外這樣一個外層的宇宙空間,在卡門線以外的太空中有什麼特點?
第一是微重力。人所感受到的重力是地球表面的萬分之一、十萬分之一,甚至更小。
第二是超高真空。沒有可以呼吸的空氣,在一個冰箱這麼大的體積裏面你能找到的,也就是幾個原子或分子。
第三是超潔淨、一塵不染。所以不用打掃衞生了,也絕對不會吸到霧霾了。
第四是強輻射。在大氣層以外,紫外線以及高能宇宙射線都非常致命,所以你抹這個防曬霜什麼的,肯定沒有用。
第五是超低温。動不動就是零下兩百多度,非常冷。
這一點我們的蘇軾老祖宗,雖然他沒有去過太空,但他説得是對的,有一首詞《水調歌頭》説:“唯恐瓊樓玉宇,高處不勝寒。”
這樣一看,太空不是很危險嗎?沒法待呀,怎麼還藴含寶藏了呢?
實際上,這每一種極端特殊的條件對於科學技術的探索都非常有用,而在地面上普通的技術手段卻非常難以實現。
幾十年來,世界上各個航天大國都紛紛搶佔太空的制高點,來尋求太空資源利用和開發,有了太空這樣非常特殊的條件,科學家才可以在上面大展身手、嘗試各種新的探索。
到今天,我們可以基本上了解到在太空中做材料合成有不少的好處,因為在太空微重力下,有希望能夠獲得更高完整性、更高均勻性、更高純度、更大尺度的材料樣品。通俗來講,材料的質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實驗是蘇聯人做的,也就是在美國人首次登月之後的三個月,1969年的10月,他們在聯盟六號飛船上進行了金屬材料的焊接實驗,這個是任務的徽章。
兩年以後,美國人在阿波羅十四號上做了一個複合材料的鑄造實驗。這是他們的第一次。
再過了16年,我們中國才在第九顆返回式衞星上開展了首次材料實驗。之後整個90年代,我們利用衞星又先後進行了五次類似的實驗。
到了這個世紀初,我們在神舟二號、三號飛船上又開展了一系列的空間晶體的生長、觀察和材料合成實驗;之後在神舟七號飛船上做了固體潤滑材料的空間環境實驗;在天宮一號上面進行了膠體晶體的材料生長實驗。
最近的2016年,我們在實踐十號衞星以及天宮二號空間實驗室上面,開展了迄今為止我國最大規模的、最長時間的材料實驗研究。
到目前為止,美國、俄羅斯、歐洲,也完成了上千次的太空材料實驗,所以我們國家整體上到太空做實驗的次數還是偏少,機會非常寶貴。
國際空間站是從1994年開始建設,到2011年才完全建成,有16個國家參與。目前美國、俄羅斯、歐洲、日本在國際空間站上建立了多種多樣先進的實驗裝備,開展了深入的材料科學研究,收穫頗豐。
可以説,國際空間站是人類科學技術和大型建造工程的結晶。但非常遺憾,它即將於2024年退役。
我們國家在天宮二號實驗室之後進入了一個空間站的建設階段,目前正在緊鑼密鼓地開展設計和研製工作,預計到2022年就會翱翔在太空。
我們的建造時間算下來是三到四年,遠遠少於國際空間站的17年,這也體現了我們中國速度和中國效率。
到2024年國際空間站退役之後,中國的空間站就將是整個太空中唯一的空間站了。
我們國家最近的一次實驗,是在天宮二號空間實驗室上完成的,開展實驗的這套裝備叫綜合實驗材料裝置。
實際上它是三兄弟。所謂的八卦煉丹爐是大哥,學名叫材料實驗爐,我們給它取了一個外號叫“火種”。它能提供一個高温的熱環境,其核心的温度很高,材料實驗就是在它裏面完成的。
還有二哥,叫材料電控箱,是系統控制和運行的大腦,神機妙算,所以我們也取了一個外號叫“智機”。
三弟是材料樣品帶,這個是航天員更換和回收樣品要用到它,外號“探囊”,希望航天員取放樣品的時候,如同探囊取物一樣方便。
這是我們在神舟三號飛船上製備的材料結果之一。這是一種被稱為硅酸鉍的黃色晶體,上面是地面生長的,下面是太空生長的,右邊對應的是顯微鏡照片,黑色表示材料裏面的一種缺陷。
通過分析我們發現,太空中生長的晶體相比地面的晶體,缺陷密度低了一個數量級,結晶性更好。太空晶體的可見光的波段透過率比地面又有10%的提高。
從這個方面看,太空中製備的材料,質量和性能確實都更好。
這個是另外一種材料的結果,是一種叫鋁鎳合金,上面是太空中製備的,下面是地面製備的,右邊是剖開的斷面照片。
可以看出來,太空中的鋁合金表面更光滑,內部也更均勻緻密,明顯比地面的材料更好。
一代材料,一代器械,一代裝備和產品
作為最最基礎的材料,它其實一直在改變我們的生活。比如説目前大尺寸的、高質量的單晶硅,它實際上是用了旋轉磁場技術,還有一些其他新型的半導體。
還有地面上開發了各種新型的懸浮加熱技術,都得益於在太空中實驗的結果。比如説新型的發動機的高温渦輪葉片,高性能的熱電能源材料,高圓度的滾珠軸承材料。
還有新型光通信的材料。
我們還可以大膽地發揮想象,未來太空中的材料工廠也可能會是這樣的。比如説,在太空中直接進行材料的3D打印、生產產品,針對某些非常有用的材料,在專門的太空實驗室裏面進行製造。
人類要進軍外太空,將來完全有可能是這樣的畫面,在某一個小行星上面直接建材料工廠,就地取材、就地製造。這些其實都不是天方夜談。
人類的文明史其實就是材料的進化史。從最開始簡陋的陶土到現在先進的半導體,從沉重的青銅器到輕盈的石墨烯,無不傾注着人類對材料製造工藝和性能的世代追求。
**科幻中那些更強韌、更輕盈、更智能的通天法寶,回到其本源和核心,多半都指向了材料問題。**比如説孫悟空齊天大聖的如意金箍棒,美國隊長的盾牌、雷神之錘,金剛狼的利爪,還有蜘蛛俠的超強蛛絲等等,都是材料問題。
今天以馬斯克為代表的商業航天已經如火如荼,我們從來沒有像現在這樣,把目光轉向了地球之外,對我們的太空對未來滿懷極大的好奇心。
我們盼望着通過太空問道、潛心探究,能夠獲取材料製造的終極密碼。人類文明必將因為材料的持續升級,邁入一個嶄新的紀元。
互動話題:
你覺得我們還能在太空做什麼呢?