中国空间站示意图。
天和核心舱模型内部展示的无容器材料实验柜。
航天基础试验机柜。
普通收纳柜。
斯特林热电转换试验装置内部。
“太空抽屉”里有什么?目前，中国空间站已全面建成，工程转入应用与发展阶段。作为中国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台，建成后的中国空间站成为国家太空实验室，三舱部署的多个实验柜可开展上千项科学实验，惠及地球上普通人的生活。国家太空实验室中的各个实验柜里装着什么?能做哪些实验?
无容器材料实验柜
“太空悬浮术”加工新型材料
有没有一种可能，食物在不接触锅碗瓢盆的表面，就变成美食?这个悬浮加工方式对普通人而言就是一个魔术。
但是，科学家已将这“悬浮术”搬上了太空。他们利用“悬浮术”，已在太空试验加工出新型材料。
科学家们设计出了无容器材料实验柜，实验就在无容器实验平台中开展。在空间站首个舱段发射前，科学家们“迫不及待”地将这个实验柜安置在核心舱内的“天花板”上，想要在太空验证一下。
具体怎么操作呢?
首先使用激光对悬浮在微重力环境中的样品进行加热，将其熔化。
接着，通过调整激光功率和加热时间，使熔体达到适当的温度和熔化程度。
随后，迅速将样品冷却至凝固点以下，使其进入深过冷状态，从而获得高质量的材料。
重点来了，科学家想要观察的是，材料在熔化状态下，它的表面张力和粘度如何?材料在迅速冷却的过程中，它的密度会怎样变化?
无容器加工方式可以避免与容器壁接触，消除接触污染，利于实现深过冷凝固，非接触也适用于高温高活性合金熔体、宽广温度范围的热物性测量。微重力下浮力对流极大减弱、密度沉降基本消失，干扰减少、微重力时间长，非常有利于凝固组织和相关物理机制的研究。
可以说，造福强迫症患者的同时，让科学家们获得了制造新型材料的重要启发。
太空悬浮术基础:微重力+深过冷技术
此类实验得益于科学家前期发现的一个特殊现象:深过冷。它描述的是，液体在温度低于其凝固点的情况下仍然保持液态状态。例如，在通常的环境下，水在℃度会结成冰，但在过冷的情况下，水在℃度以下仍然可以保持为液态。玻璃的形成就是一种典型的深过冷凝固过程。
深过冷还可以制备其他具有特殊结构和性质的材料，如金属玻璃、纳米晶体材料等。深过冷技术在许多领域中发挥了重要作用。
空间无容器实验装置“微重力+深过冷”特性，有效解决了高温熔体快速凝固和热物性测量面临着难熔、活性高、过冷小的挑战，为研究多相竞争机制、凝固过冷度控制、凝固路径与相组成调控提供了理想的实验研究环境。
这些在轨科学实验样品非常宝贵，空间站里的第一批无容器材料实验柜在轨科学实验样品已由神舟十二号航天员乘组随返回舱带回地面。截至去年年底，第三批在轨实验样品也已经下行。
目前，通过无容器材料实验柜进行加工的实验样品包括了新型金属合金，可以用于新一代航空发动机叶片，能够极大地保障飞行中的安全；新型特种功能材料，例如，与钻石折射率相近的镧钛玻璃，能够大大提升相机分辨率，帮助人们更加清晰地记录这个世界；半导体光电子材料，如激光器晶体YAG，广泛用于工业、医疗、科研、通讯和军事等领域。
也许，在不远的将来，这些新型材料的研制与应用能够颠覆性地改善和提高我们的生活质量。
“太空抽屉”
方寸之间装进各种试验项目
空间站各舱段内的四面都装有实验柜，它位于梦天实验舱靠近节点舱的一端，航天员的“脚下”。
从外形来看，航天基础试验机柜由多个大小不一的“太空抽屉”(载荷单元)组成，每个抽屉配有把手，整体仿佛是一个多功能收纳柜，很有辨识度。
航天基础试验机柜身处微重力等特殊研究环境中，能够用于支持开展舱内的各项技术试验，针对制约我国航天长远发展的关键技术开展一系列研究，为未来我国航天技术发展和空间应用提供有力的技术支撑。
可以说，航天基础试验机柜就像是哆啦A梦的口袋，每个“太空抽屉”里的试验项目都各不相同。
近日，其中一个“太空抽屉”里完成了一件大事，斯特林热电转换技术完成在轨验证，再次解锁一项“我国首次”。
一个小小的“太空抽屉”，在方寸之间，装进了我们对大千世界的探索和追问，对浩瀚宇宙的敬畏和思考。
【斯特林热电转换试验装置】
它能干啥?不挑燃料，将燃料转化为热能
斯特林热电转换试验装置位于机柜左下角，它是一种外燃式发电机，能将热能转化为电能，有合适的温差就能工作。200多年前，由英国科学家罗巴特·斯特林发明了斯特林发电机。工作原理既古老又简单，可以从“热胀冷缩”这个词中理解。
通过外部加热，机器内部的氦气便会吸热膨胀，并在冷端收缩，将温差变成自己动力的源泉。
同时，它不挑燃料。只要能发热，无论是太阳能、燃油、煤炭、木柴，还是核燃料棒，只要有合适的温差就可以工作，非常让人省心且具有明显的优势。
效率有多高?斯特林热电转换装置的温度比(热端温度与冷端温度之比)越高，热电转换效率就越高。
目前，在温度比接近3的情况下，国内外实现的转换效率能够达到28%以上。本次空间站在轨试验装置温度比为2.2，实现在轨热电转换效率24.7%，若温度比达到3的情况下，也可实现近28%的转换效率。
因此，从这个角度可以理解为转换效率达到了国际上的中上水平。
有何作用?保证航天器电力，可不依赖太阳能
现阶段，中国空间站运行在距离地面约400公里的轨道上，空间站主要使用太阳能电池，利用光电效应发电。但是随着航天器到太阳的距离越来越远，太阳能电池组的效率明显下降，甚至不起作用。
未来，如果人类的脚步踏入月球背面、木星，甚至从行星到行星，太阳的光照微乎其微，太阳能发电就指望不上。该如何保证航天器电力需求?
此时，斯特林发电机就体现出自己的价值，只要给个合适热源和温差就可以发电。
热源使用成熟的核燃料技术，寿命长、发热稳定，两者结合就是完美的电力系统，解决空间电源使用需求。同时，斯特林电源系统作为一种高效能源技术，具有高效率、结构简单、质量轻、启动快和振动小、噪声低等优点。
斯特林热电转换技术作为一种高效能源技术，在空间有着广泛的应用需求，可用于深空探测、火星探测和更远的木星探测等任务，特别是不依赖太阳能的任务。
文/图来源:中国科学院空间应用工程与技术中心
中国载人航天网站 新华社 央视
整合:易福红 杨存海
