造就第419位講者 艾飛

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

空間材料科學(xué)與實驗技術(shù)課題組長

中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實驗室副主任

剛過去的2018年，對于全世界的航天人來說都是波瀾壯闊的一年,。

不僅是商業(yè)航天的元年,，這一年，在時隔27年后，人類的航天發(fā)射次數(shù)再一次突破了100次大關(guān),，而上一次還得追溯到1991年,。

2018年，我們中國的航天發(fā)射次數(shù)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(jīng)之路,，也不僅僅是為了滿足探索未知宇宙的好奇心,。實際上決定著我們整個人類的終極命運(yùn)。

過去幾十年的太空探索,，不但極大地拓展了全人類認(rèn)知的邊界,，收獲了不少造福地球生活的新發(fā)明，也積累了一系列飛往宇宙深處的關(guān)鍵技術(shù),。

在這當(dāng)中,，國際空間站是持續(xù)開展太空科學(xué)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里都忙碌哪些科學(xué)實驗?zāi)兀靠梢耘e兩個形象一點(diǎn)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(huán)境,，希望可以合成一些新型的材料、改變?nèi)祟惖纳睢?/span>

很多人關(guān)心,，為什么要千里迢迢地在太空中去做材料科學(xué)實驗?zāi)兀?/span>

這幾張是地面上常見的現(xiàn)象,，浮力、對流,、沉降和靜水壓,，它們產(chǎn)生的主要原因就是地球的重力作用，這些效應(yīng)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(zhì)量和性能就不會太好,。

比如說沉降效應(yīng),，我們?nèi)粘Ｖ杏玫臇|西大多數(shù)是兩種以上的元素組成的，在熔化制造它的時候,，重的,、密度大的元素往下沉,，輕的在上面，最后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(xué)家天然本能地有點(diǎn)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(jié)構(gòu)圖形實際上有點(diǎn)像這個火龍果,，里面的黑點(diǎn)是均勻分布的。

我們知道在太空微重力的環(huán)境下,，物體顆?？梢猿尸F(xiàn)懸浮的狀態(tài)，所以火龍果式的結(jié)構(gòu)是很容易獲得的,。

太空特殊的環(huán)境里其實蘊(yùn)含了極大的寶藏，對于材料實驗來說特別有用,。

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么特點(diǎn)？

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，在一個冰箱這么大的體積里面你能找到的,，也就是幾個原子或分子,。

第三是超潔凈、一塵不染,。所以不用打掃衛(wèi)生了,，也絕對不會吸到霧霾了。

第四是強(qiáng)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么的,，肯定沒有用,。

第五是超低溫。動不動就是零下兩百多度,，非常冷,。

這一點(diǎn)我們的蘇軾老祖宗，雖然他沒有去過太空,，但他說得是對的,，有一首詞《水調(diào)歌頭》說：“唯恐瓊樓玉宇,，高處不勝寒?！?/span>

這樣一看，太空不是很危險嗎,？沒法待呀,，怎么還蘊(yùn)含寶藏了呢？

實際上,，這每一種極端特殊的條件對于科學(xué)技術(shù)的探索都非常有用,，而在地面上普通的技術(shù)手段卻非常難以實現(xiàn)。

幾十年來,，世界上各個航天大國都紛紛搶占太空的制高點(diǎn),，來尋求太空資源利用和開發(fā)，有了太空這樣非常特殊的條件,，科學(xué)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(zhì)量和性能在太空中要比地上要更好。

太空中的第一次材料實驗是蘇聯(lián)人做的，也就是在美國人首次登月之后的三個月,，1969年的10月,，他們在聯(lián)盟六號飛船上進(jìn)行了金屬材料的焊接實驗，這個是任務(wù)的徽章,。

兩年以后,，美國人在阿波羅十四號上做了一個復(fù)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衛(wèi)星上開展了首次材料實驗。之后整個90年代,，我們利用衛(wèi)星又先后進(jìn)行了五次類似的實驗,。

到了這個世紀(jì)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,；之后在神舟七號飛船上做了固體潤滑材料的空間環(huán)境實驗；在天宮一號上面進(jìn)行了膠體晶體的材料生長實驗,。

最近的2016年,，我們在實踐十號衛(wèi)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(guī)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(shù)還是偏少,，機(jī)會非常寶貴。

國際空間站是從1994年開始建設(shè),，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(jìn)的實驗裝備,，開展了深入的材料科學(xué)研究,，收獲頗豐。

可以說,，國際空間站是人類科學(xué)技術(shù)和大型建造工程的結(jié)晶,。但非常遺憾，它即將于2024年退役,。

我們國家在天宮二號實驗室之后進(jìn)入了一個空間站的建設(shè)階段,，目前正在緊鑼密鼓地開展設(shè)計和研制工作，預(yù)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(yuǎn)遠(yuǎn)少于國際空間站的17年，這也體現(xiàn)了我們中國速度和中國效率,。

到2024年國際空間站退役之后,，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(xué)名叫材料實驗爐,，我們給它取了一個外號叫“火種”。它能提供一個高溫的熱環(huán)境,，其核心的溫度很高,，材料實驗就是在它里面完成的。

還有二哥,，叫材料電控箱，是系統(tǒng)控制和運(yùn)行的大腦,，神機(jī)妙算,，所以我們也取了一個外號叫“智機(jī)”。

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制備的材料結(jié)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(yīng)的是顯微鏡照片,，黑色表示材料里面的一種缺陷,。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)，太空中生長的晶體相比地面的晶體,，缺陷密度低了一個數(shù)量級,，結(jié)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,，太空中制備的材料，質(zhì)量和性能確實都更好,。

這個是另外一種材料的結(jié)果,，是一種叫鋁鎳合金，上面是太空中制備的,，下面是地面制備的,，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(nèi)部也更均勻致密,，明顯比地面的材料更好。

作為最最基礎(chǔ)的材料，它其實一直在改變我們的生活,。比如說目前大尺寸的,、高質(zhì)量的單晶硅，它實際上是用了旋轉(zhuǎn)磁場技術(shù),，還有一些其他新型的半導(dǎo)體,。

還有地面上開發(fā)了各種新型的懸浮加熱技術(shù)，都得益于在太空中實驗的結(jié)果,。比如說新型的發(fā)動機(jī)的高溫渦輪葉片,，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(fā)揮想象，未來太空中的材料工廠也可能會是這樣的,。比如說,，在太空中直接進(jìn)行材料的3D打印、生產(chǎn)產(chǎn)品,，針對某些非常有用的材料,，在專門的太空實驗室里面進(jìn)行制造。

人類要進(jìn)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,、就地制造,。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(jìn)化史,。從最開始簡陋的陶土到現(xiàn)在先進(jìn)的半導(dǎo)體,，從沉重的青銅器到輕盈的石墨烯，無不傾注著人類對材料制造工藝和性能的世代追求,。

科幻中那些更強(qiáng)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。比如說孫悟空齊天大圣的如意金箍棒，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(qiáng)蛛絲等等,，都是材料問題,。

今天以馬斯克為代表的商業(yè)航天已經(jīng)如火如荼，我們從來沒有像現(xiàn)在這樣,，把目光轉(zhuǎn)向了地球之外,，對我們的太空對未來滿懷極大的好奇心。

我們盼望著通過太空問道,、潛心探究,，能夠獲取材料制造的終極密碼。人類文明必將因為材料的持續(xù)升級,，邁入一個嶄新的紀(jì)元,。