材料制備“八卦爐”、懸浮的球形火焰 揭秘“夢天”實(shí)驗(yàn)“神器”

中新網(wǎng)海南文昌10月31日電 (馬帥莎)10月31日，中科院聯(lián)合優(yōu)勢力量研制的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜隨夢天實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)入太空，里面配置了不少先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)“神器”，將在微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)等研究中發(fā)揮“神力”。

北京時(shí)間10月31日15時(shí)37分，搭載空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號B遙四運(yùn)載火箭，在中國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射，約8分鐘后，夢天實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。 中新社記者 侯宇 攝

全新視角看量子世界

超冷原子物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是世界領(lǐng)先的中國首個(gè)微重力超冷原子物理實(shí)驗(yàn)平臺，將為超冷原子物理研究提供長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

該實(shí)驗(yàn)柜將利用空間微重力環(huán)境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質(zhì)量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)工作物質(zhì)的開放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。中科院上海光機(jī)所副研究員汪斌表示，該系統(tǒng)有望制備地面無法實(shí)現(xiàn)的距離絕對零度以上千億分之一度范圍內(nèi)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(xiàn)象，原子與原子之間相互作用時(shí)間、物理場可對其操控時(shí)間、原子自由演化時(shí)間可增長3個(gè)數(shù)量級以上，為科學(xué)家提供了一個(gè)獨(dú)特窗口和全新視角來直接觀察其獨(dú)特的原子行為，以地面上不可能的方式進(jìn)入量子力學(xué)的奇異世界。

全球首臺光鐘

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

中科院國家授時(shí)中心主任張首剛介紹稱，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜作為“夢天”實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)最復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一，由十三臺單機(jī)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(gè)系統(tǒng)也將成為全球精度最高的空間時(shí)間頻率產(chǎn)生運(yùn)行系統(tǒng)。

中科院上海技術(shù)物理研究所副所長舒嶸介紹稱，除此之外，該系統(tǒng)也包括微波和激光時(shí)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(shí)間頻率比對系統(tǒng)。

未來，科學(xué)家利用超高精度的時(shí)間頻率信號，可以開展相關(guān)的基礎(chǔ)物理研究工作，如引力紅移的檢驗(yàn)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量等實(shí)驗(yàn)，為相對論等相關(guān)理論檢驗(yàn)提供支撐。通過比對測量地面原子鐘，可以提高中國原子時(shí)精度；也可參加校準(zhǔn)全世界守時(shí)原子鐘時(shí)間；有望填補(bǔ)洲際地面光鐘比對的技術(shù)空白，支撐時(shí)間單位“秒”定義的變更。

北京時(shí)間10月31日15時(shí)37分，搭載空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙的長征五號B遙四運(yùn)載火箭，在中國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射，約8分鐘后，夢天實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。 中新社記者 侯宇 攝

創(chuàng)造太空懸浮著的球形火焰

夢天實(shí)驗(yàn)艙入軌后，空間站還可以開展燃燒實(shí)驗(yàn)。沒有了重力的影響，火焰沒了方向，會呈現(xiàn)與地面不一樣的球形火焰，艙內(nèi)安裝的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(huán)境下對燃燒過程進(jìn)行系統(tǒng)性研究，比如：使用高速攝像，及增強(qiáng)型相機(jī)，可以觀察火焰、碳煙、溫度場等從點(diǎn)火到燃燒的形成過程。

針對空間站燃燒實(shí)驗(yàn)的安全性問題，專家表示并不危險(xiǎn)。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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備了針對燃燒產(chǎn)生物質(zhì)的排氣凈化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，航天員只需負(fù)責(zé)更換燃料或打開閥門等簡單操作，其他實(shí)驗(yàn)流程都是自動(dòng)完成。

燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將在國際上首次進(jìn)行微重力環(huán)境下的速度場檢測，并且綜合應(yīng)用一系列先進(jìn)的設(shè)備去探究燃燒的奧秘，為燃燒科學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)、空間站防火、燃燒材料合成、宇航動(dòng)力技術(shù)發(fā)展等方向提供優(yōu)秀的科研平臺。

材料制備“八卦爐”

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜可支持開展高溫金屬及合金材料、先進(jìn)半導(dǎo)體材料、功能晶體材料、復(fù)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(xué)實(shí)驗(yàn)，為研究材料科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)提供特有條件，可為解決中國發(fā)展高端裝備、大科學(xué)工程等關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)提供重要幫助。

其中，控制模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的大腦，負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的運(yùn)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(shí)現(xiàn)樣品的精確抓取、移動(dòng)、定位等；X射線透射成像模塊是一雙“火眼金睛”，可以對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行透視和成像。

中科院上海硅酸鹽研究所研究員劉學(xué)超說，高溫材料柜最高加熱溫度達(dá)1600 攝氏度，可以批量自動(dòng)化管理16支樣品，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國際空間站同類實(shí)驗(yàn)裝置。X射線透射成像實(shí)時(shí)觀察是該實(shí)驗(yàn)柜又一特色，是國際上首次在空間站上行X射線實(shí)驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)材料熔融凝固過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)成像與觀察。

“天宮課堂”有望看到新的流體實(shí)驗(yàn)？

從泡騰片實(shí)驗(yàn)、液橋演示，到水球“變懶”實(shí)驗(yàn)，流體現(xiàn)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(huán)境中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，此次夢天實(shí)驗(yàn)艙專門搭載了流體物理實(shí)驗(yàn)柜。

中科院力學(xué)研究所研究員康琦表示，微重力環(huán)境下，流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出許多新規(guī)律，比如地球上燒開水時(shí)的熱對流現(xiàn)象，在太空微重力環(huán)境下會表現(xiàn)出極大的差異，流動(dòng)結(jié)構(gòu)、對流失穩(wěn)過程的空間尺度和時(shí)間尺度大大增加，混沌轉(zhuǎn)捩途徑、湍流作用機(jī)制等需要通過太空實(shí)驗(yàn)進(jìn)行新的探索和發(fā)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)柜將從宏觀和微觀兩個(gè)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(jié)構(gòu)、流變特性等。

“空間站是中國未來10年規(guī)模最大的空間綜合性研究實(shí)驗(yàn)平臺，我們將把它建成水平先進(jìn)的國家太空實(shí)驗(yàn)室，不斷產(chǎn)出重大科技成果，持續(xù)獲取綜合應(yīng)用效益。”中科院空間應(yīng)用中心研究員、空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師劉國寧說。(完)