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“太激動了！還是有一種期待的心情，有開‘盲盒’的感覺，打開之后你才能看見樣品。”空間站高溫材料科學實驗系統主任設計師、中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉學超手持太空返回的實驗樣品激動地說，“實際上，我們之前做了大量的地面匹配實驗，我們有信心在太空中的實驗會非常好，并期待會有很好的科研成果。”

劉學超（右）

【資料圖】

日前，中國空間站第四批空間科學實驗樣品隨神舟十五號飛船返回艙安全降落，并交付給中國科學院空間應用系統。6月21日，包括高溫合金材料樣品在內的實驗樣品運至中國科學院上海硅酸鹽所，舉行交接儀式。

太空“盲盒”一次拆出五件套

2022年10月31日，空間站高溫材料科學實驗柜（高溫材料柜）隨夢天艙成功發射入軌，在軌穩定運行200余天。乘坐火箭升空的“貨包”里都裝了些什么？一起來看看。

記者看到，存放著太空實驗樣品的貨包呈米黃色，與普通公文包大小類似，采用了抗震防震的設計。貨包內整齊擺放著金屬陶瓷管，里面存放的便是空間站高溫材料科學實驗系統下行（返回地面）的首批科學實驗樣品。據介紹，所有實驗樣品都需要在1000℃以上的高溫中進行，為此實驗材料會在金屬陶瓷管內進行二次封裝。

此次，神十五航天員帶回的實驗樣品共有5件，總重量約6公斤，這批樣品包括高溫合金材料、功能晶體、新型金屬以及特種玻璃材料。

以高溫合金材料為例，我們國家正在發展的國產大飛機項目中，飛機發動機的核心材料就是高溫合金。

“我們在地面上生產高溫合金的時候，很難得到一些性能非常好的高溫合金，非常想知道這其中的原因。所以，我們把材料送上太空，在微重力的情況下開展實驗，以探究高溫合金在微重力環境下的生長過程、成分分布、結構形態，為我們在地面生產更好的高溫合金提供理論指導。”中國科學院上海硅酸鹽研究所副研究員張明輝介紹。

張明輝告訴記者，在地面上，研究團隊往往采用自由落體的方法模擬微重力實驗，這種方式得到的微重力時間只有幾秒。而在空間站，可以獲得幾天甚至一周的微重力時間。“一直在微重力狀態下開展實驗，這就是空間站環境一個非常強的優勢。”張明輝說。

這些樣品身份不凡，能為科學研究打開一扇窗

神十五航天員帶回的實驗樣品移交后，科學家們將進行更深一步的分析研究。

作為高溫材料科學實驗系統主任設計師，劉學超最關心的是一款新型柔性半導體材料：“這個材料不像傳統的半導體是脆性材料，它可以彎折，有可塑性，而且具有非常好的半導體特性，非常有研究意義和價值。未來，可能會為研制新一代半導體器件打開一扇‘窗戶’。”

研究團隊首先會對下行的樣品進行外觀檢查，觀察樣品是否有破損，是否能扛住太空飛船發射時上行和下行的力學環境。然后深入分析樣品，進一步鑒定它的結構、物像、性能等，再通過和地面的匹配實驗作鏡像對比，研究樣品在太空微重力下是否有顯著變化，有無新的機理或相關的生長機制等。“這對研究微重力下材料的制備和生長過程，以及后續地面上的材料制備，有很大的指導意義和幫助。”劉學超介紹。

目前，空間站上還有19個高溫材料樣品在軌實驗。此外，研究團隊還計劃上行（由地面發往太空）20個樣品，這些樣品上行之前，都需要在地面上進行充分、大量的匹配實驗。

“中國空間站全面建成轉入運營階段后，會有大量的材料科學實驗在太空中進行，助力我國實現高水平科技自立自強。”劉學超說。

據介紹，高溫材料柜在軌期間，中國科學院金屬研究所、上海硅酸鹽所、西北工業大學等項目團隊密切合作，成功完成了一系列空間科學實驗。此次返回的上海硅酸鹽所在軌空間樣品，其相關科學實驗得到上海市科委和中國科學院空間總體部大力支持，為我國航天科研的發展貢獻了重要成果。

開展鏡像實驗，天上地下“一體雙生”

雖然我們看不見空間站里高溫材料柜的實驗過程，但記者在上海硅酸鹽所的實驗室里找到空間站高溫材料柜的雙胞胎“兄弟”，一套完整的鏡像系統。

高溫材料柜是由我國自主研制的重大空間微重力材料科學實驗裝置，是開展太空微重力材料科學實驗的重要平臺，可在微重力下支持材料的高溫加熱、定向凝固、梯度生長、快速冷卻、磁場攪拌、參數實時測量、實時觀察等功能，是我國最新一代的空間材料實驗裝置之一。

這套先進裝置可有不少“第一”在手。

“這套設備與在軌的高溫材料科學實驗柜具有完全相同的功能和模塊，具有批量樣品管理等功能，一次性可以放16個材料樣品，這也是國際上最多的一個批次樣品數量，另外該裝置最高的實驗溫度可以達到1600℃。”中科院上海硅酸鹽所項目正高工潘秀紅介紹，“有了這套設備，我們一個樣品最短的在軌實驗時間是20小時，最長的目前達到74小時。”

據介紹，高溫材料柜主要由高溫爐模塊、批量樣品管理模塊、X射線透射成像模塊、控制模塊組成。其中，高溫爐模塊是整個裝置的核心，X射線透射成像模塊可開展樣品加熱和凝固過程的實時觀察，控制模塊負責整個裝置的供電、控制等的管理。高溫材料柜的加熱溫度和單批次樣品數量都處于國際領先水平，而X射線透射成像功能是在國際上首次上行至空間站。

高溫材料柜

與我國以往的空間材料實驗裝置相比，高溫材料柜在加熱溫度、樣品尺寸、溫場模式、外部調控、精密生長、實時觀察等功能方面都有了較大發展和提高，有效拓展了空間微重力材料研究的范圍和深度，將長期在空間站為材料的微重力研究提供支持。

“后續，地面裝置除了為這五個返回樣品做鏡像對比實驗。我們還要為之后發射升空的材料作前期的匹配實驗。所以，它的工作量還是十分大的，會越來越忙。”中國科學院上海硅酸鹽研究所項目正高級工程師潘秀紅介紹。

由于功能的升級和拓展，高溫材料柜能夠支持的材料研究涵蓋功能晶體、高溫合金、新型金屬合金、半導體材料、特種玻璃、納米材料、生物材料等眾多領域，將促進微重力下材料的成分、結構、性能的調控及其機理的研究，對我國突破關鍵科學和技術問題具有重要意義。（來自“上海嘉定”微信公眾號）