中科院制造！两大科学实验柜亮相“天宫课堂”

3月23日下午，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合进行授课。这是中国空间站的第二次太空授课。

课堂上，航天员展示了两个“科学实验重器”——“无容器材料实验柜”和“高微重力科学实验柜”，它们都是正宗的“中科院制造”。

中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟在“天宫课堂”位于中国科技馆的地面主课堂现场接受《中国科学报》采访时表示：“目前，两个科学实验柜运行良好，已经取得一些新发现。更多科学实验设施也将在今年发射的‘问天’‘梦天’实验舱中安排上，令人期待！”

“悬浮”的“高微重力”

“天宫课堂”上，航天员叶光富打开一段此前拍摄的视频，画面中他用手轻轻推动了面前的悬浮实验台。出乎意料的是，实验台没有直接飘走，而是略微移动后又稳稳地回到原位。

悬浮实验台正是高微重力科学实验柜的一部分，这一实验柜将为科学实验提供地面上难以得到的极限条件。

不过，中国空间站的微重力状态则并非一种绝对的微重力，而是源于航天器受到的合力和航天器绕地球轨道飞行的向心力相等。

一般而言，空间站的微重力水平大约在10-3g至10-5g。而在高微重力科学实验柜研制中，中科院空间应用工程与技术中心的研究人员将微重力水平提升了两个数量级，达到10-7g水平。

张伟介绍，为实现如此高的微重力水平，科研人员设计了双层实验系统，通过外层喷气、内层磁悬浮的设计，让实验系统“悬浮”起来，从而最大程度上消除振动，完成微重力水平的极限挑战。科学载荷安装于内体上，隔离外部的各种扰动力。

航天员在太空中亲身体会到高微重力科学实验柜的精妙。叶光富展示的视频中，实验台被施以外力后位置移动，能够自动瞄准实验柜上的靶标，通过喷气调整抵抗干扰。

“无容器”柜有新发现

课堂上，王亚平视频展示了锆金属熔化与凝固实验。一颗金属小球悬浮在实验腔体中，经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节后，实验完成。

这便是无容器材料实验。通常熔炼物质都需要使用容器承载熔体，往往会引入杂质，在熔体凝固过程中，会受器壁影响，生长出复杂的微观组织形态。“无容器”顾名思义，就是不用容器承载，使实验样品在悬浮的状态下实现熔炼的过程，能够抑制异质形核，获得深过冷。空间的“无容器”实验样品还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层，利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备。

张伟告诉《中国科学报》，为实现材料生长的“无容器”环境，科研人员基于先进的静电悬浮技术开发了一套全新的无容器材料实验柜。“样品在加温的过程中所带的电荷不断变化，想要让它保持悬浮状态难度非常大，我们的科学家经过调试较快实现了悬浮样品控制。”他说。

目前，基于无容器材料科学实验柜开展的科学项目正在进行中。“科学家已经对一些样品开展了深入研究，例如围绕锆的融化、冷却凝固过程，并且取得了一些新发现。”张伟表示，“和地面实验比起来，太空科学实验重复的机会较少，取得成果并发表论文可能需要更长的时间。”

据介绍，无容器材料实验柜的第一批样品已经随神舟十二号回到地面，目前还有10多个科学研究项目已在地面准备中，等待随货运飞船抵达太空。

更多科学实验要“上天”

今年，“问天”“梦天”实验舱将陆续发射，中科院空间应用工程与技术中心已经完成科学实验柜的研制，正在开展集成及舱内测试工作，进展顺利。其中，“问天”实验舱的科学实验柜已交付平台，完成整舱测试。而“梦天”实验舱的科学实验柜数量更多，整柜试验已完成，正在开展整舱测试。

“科学家将利用更多的科学实验柜在太空开展生命科学实验，细胞、植物、动物都有希望‘上天’，同时流体实验、颗粒物和气体的燃烧实验等也将展开。”中科院空间应用工程与技术中心研究员张伟向《中国科学报》介绍。

其中，“问天”实验舱中将开展植物、动物、微生物细胞等多项生命科学实验，还包括一个由鱼、微生物、藻组成的小型密闭生态系统。

“梦天”实验舱中将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，如果成功，将成为太空中最精准的时间频率系统，数亿年误差小于1秒。

张伟介绍，此前中国科学家曾在2016年发射的天宫二号空间实验室上实现了3000万年误差小于1秒的世界首台空间冷原子钟。目前中国科学家在地面冷原子钟实验的精确度已经超过天宫二号的冷原子钟。