中國空間站作為國家太空實驗室，在軌部署了國際一流的科學研究與技術試驗設施，無容器材料科學實驗柜（以下簡稱“無容器材料實驗柜”）就是其中之一。神舟十八號乘組在軌期間，利用無容器材料實驗柜開展了空間材料科學領域的多項科學實（試）驗。
在“乘組周記”中可以了解到，三名航天員需定期對無容器材料實驗柜進行實驗腔體樣品清理、實驗樣品更換、軸心機構電極維護等工作。“無容器”究竟有何特別之處？
為何開展空間材料科學研究？
空間材料科學是材料科學與空間技術相融合形成的一個交叉學科領域，主要研究內容是在外層空間以微重力、無容器、高真空和強輻射為特征的超常環(huán)境中，探索各類材料的物理化學性質、相變過程規(guī)律、合成制備和加工成形原理及其最終服役性能。發(fā)展方向首先是利用外層空間的特殊環(huán)境條件進行材料科學研究，其次是為各類材料的空間應用奠定堅實的科學基礎。
無容器材料實驗柜的關鍵技術是什么？
無容器材料實驗柜位于空間站天和核心艙，是最早安排“上天”的實驗平臺之一。顧名思義，“無容器”就是不用容器承載，使實驗樣品在懸浮的狀態(tài)下實現(xiàn)熔煉的過程。
想象一下，熔融的金屬或者非金屬材料成為“液滴”，懸浮在空中，卻不會和容器壁接觸，加工后的材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態(tài)。那么，如何讓樣品保持“懸浮”？
靜電懸浮技術便是無容器材料實驗柜工作原理的關鍵，通過靜電場實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮控制，避免實驗材料樣品與整個實驗腔體內表面的接觸。
在地面實驗室，靜電懸浮是利用靜電場所提供的電場力來克服重力，從而實現(xiàn)無容器狀態(tài)。它可適用的材料種類廣泛，只要樣品產生了足夠多的電荷量就可實現(xiàn)懸浮，而且材料可在真空環(huán)境中保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，避免了介質的影響。
與電磁懸浮、超聲懸浮和氣動懸浮相比，靜電懸浮不存在電磁攪拌、超聲空化和氣流擾動，外場對樣品的影響很小。因此材料可在近似完全靜態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)無容器熔化和凝固，從而使材料熔體易于獲得深過冷，便于對過冷態(tài)物理化學性質和凝固過程進行實時原位測定。
空間站靜電懸浮相較于地面靜電懸浮，不需要克服重力，僅需控制樣品位置，其原理是根據(jù)樣品位置變化，調控樣品庫侖力的大小和方向，使之動態(tài)“定位”于設定的位置。與地面實驗相比，所需要的電壓更小，對樣品的干擾遠小于地面實驗，進而提供更理想的科學實驗條件，例如微重力條件下，液態(tài)樣品更圓，樣品的振蕩更理想。
無容器材料實驗柜是如何工作的？
在實際運行中，每個樣品盒可容納29個樣品。每次實驗分為以下步驟：
①完成真空或者氬氣加壓的實驗環(huán)境準備，確保實驗在特定的氣體環(huán)境下進行，以模擬太空中的環(huán)境條件；
②樣品盒釋放樣品；
③位控系統(tǒng)捕獲釋放樣品，對樣品進行懸浮位置控制；
④啟動激光器加熱熔化樣品，對樣品可持續(xù)加熱到2000℃以上的高溫；
⑤周圍的物態(tài)測量相機開展比熱容、熱導率等熱物理性質參數(shù)測量；
⑥冷凝固樣品，并進入深過冷狀態(tài)，即高溫熔體在溫度低于其凝固點的情況下仍然保持液態(tài)狀態(tài)；
⑦位控系統(tǒng)將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前后推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內的樣品存儲位置。
在“天宮課堂”第二課中，神舟十三號乘組不僅介紹了無容器材料實驗柜的科學原理，還通過視頻演示講解了“鋯金屬熔化與凝固”實驗。
作為實驗樣品的金屬小球懸浮在實驗腔體中，經(jīng)過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實驗完成。
值得一提的是，實驗操作是一個天地協(xié)同的過程。航天員只需要取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒，在實驗過程中不需要進行直接操作，主要通過注入指令執(zhí)行，地面工作人員就可以實時監(jiān)控實驗開展。
在軌三年以來，無容器材料實驗柜已開展多項關鍵研究項目。近期，利用空間站微重力環(huán)境開展的相分離合金凝固理論和相分離合金原位復合材料制備技術研究取得了重要的空間應用階段性成果。
研究團隊基于前期大量的地基研究，優(yōu)化設計合金成分和凝固工藝，先后于天宮二號空間實驗室、神舟十三號、神舟十五號和神舟十六號飛行任務期間開展了空間相分離合金的凝固實驗，成功制備出第二相均勻彌散分布的原位粒子復合材料樣品和具有殼-核結構的球形樣品，而相同凝固條件下的地面凝固樣品則呈現(xiàn)了偏析型組織。
多年天地協(xié)同研究，通過地基實驗、空間實驗和建模與模擬研究相結合，深入理解了相分離合金凝固組織形成過程和關鍵影響因素，發(fā)展了多種相分離合金凝固組織調控方法，為高性能相分離合金材料設計與制備打下了基礎，從而滿足大型機械、核電、船舶、輸電、電子等一些領域對特種材料的需求。
無容器材料實驗柜有望實現(xiàn)對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等，對于地面材料的制備、提高高精度材料的生產工藝具有非常重要的意義。
未來，更多材料樣品將在此開啟關于“懸浮”的奇幻之旅。隨著空間材料科學的不斷發(fā)展，期待在太空中制備出更多性能優(yōu)越的材料，廣泛應用于民眾的日常生活。
