“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進行授課。課堂上，航天員展示了兩個“科學實驗重器”——“無容器材料實驗櫃”和“高微重力科學實驗櫃”，它們都是正宗的“中科院製造”。

中科院空間應用工程與技術中心應用發展中心主任張偉在“天宮課堂”位於中國科技館的地面主課堂現場接受《中國科學報》採訪時表示：“目前，兩個科學實驗櫃運行良好，已經取得一些新發現。更多科學實驗設施也將在今年發射的’問天”夢天’實驗艙中安排上，令人期待！”

“懸浮”的“高微重力”

“天宮課堂”上，航天員葉光富打開一段此前拍攝的視頻，畫面中他用手輕輕推動了面前的懸浮實驗台。

出乎意料的是，實驗台沒有直接飄走，而是略微移動後又穩穩地回到原位。

懸浮實驗台正是高微重力科學實驗櫃的一部分，這一實驗櫃將為科學實驗提供地面上難以實現的極限條件。

不過，中國空間站的微重力狀態並非一種絕對的微重力，而是由於航天器受到的合力和航天器繞地球軌道飛行的向心力相等。

一般而言，空間站的微重力水平大約在10-3g至10-5g。

而在高微重力科學實驗櫃研製中，中科院空間應用工程與技術中心的研究人員將微重力水平提升了兩個數量級，達到10-7g水平。

張偉介紹，為實現如此高的微重力水平，科研人員設計了雙層實驗系統，通過外層噴氣、內層磁懸浮的設計，讓實驗系統“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動，完成微重力水平的極限挑戰。

科學載荷安裝於內體上，隔離外部的各種擾動力。

航天員在太空中親身體會到高微重力科學實驗櫃的精妙。葉光富展示的視頻中，實驗台被施以外力後位置移動，能夠自動瞄準實驗櫃上的靶標，通過噴氣調整抵抗干擾。

“無容器”櫃有新發現

課堂上，王亞平視頻展示了鋯金屬熔化與凝固實驗。

一顆金屬小球懸浮在實驗腔體中，經過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環節後，實驗完成。

這便是無容器材料實驗。

通常熔煉物質都需要使用容器承載熔體，往往會引入雜質，在熔體凝固過程中，會受器壁影響，生長出複雜的微觀組織形態。

“無容器”顧名思義，就是不用容器承載，使實驗樣品在懸浮的狀態下實現熔煉的過程，能夠抑制異質形核，獲得深過冷。

空間的“無容器”實驗樣品還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利於亞穩態材料和新型功能材料的開發製備。

張偉告訴《中國科學報》，為實現材料生長的“無容器”環境，科研人員基於先進的靜電懸浮技術開發了一套全新的無容器材料實驗櫃。

“樣品在加溫的過程中所帶的電荷不斷變化，想要讓它保持懸浮狀態難度非常大，我們的科學家經過調試較快實現了懸浮樣品控制。”他說。

目前，基於無容器材料科學實驗櫃開展的科學項目正在進行中。

“科學家已經對一些樣品開展了深入研究，例如鋯的熔化、冷卻凝固過程的研究，並且取得了一些新發現。”張偉表示，“和地面實驗比起來，太空科學實驗重複的機會較少，取得成果並發表論文可能需要更長的時間。”

據介紹，無容器材料實驗櫃的第一批樣品已經隨神舟十二號回到地面，目前還有10多個科學研究項目已在地面準備中，等待隨貨運飛船抵達太空。

更多科學實驗要“上天”

今年，“問天”“夢天”實驗艙將陸續發射，中科院空間應用工程與技術中心已經完成科學實驗櫃的研製，正在開展集成及艙內測試工作，進展順利。

其中，“問天”實驗艙的科學實驗櫃已交付平台，完成整艙測試。

而“夢天”實驗艙的科學實驗櫃數量更多，整櫃試驗已完成，正在開展整艙測試。

“科學家將利用更多的科學實驗櫃在太空開展生命科學實驗，細胞、植物、動物都有希望’上天’，同時流體實驗、顆粒物和氣體的燃燒實驗等也將展開。”張偉向《中國科學報》介紹。

其中，“問天”實驗艙中將開展植物、動物、微生物細胞等多項生命科學實驗，還會建造一個由魚、微生物、藻組成的小型密閉生態系統。

“夢天”實驗艙中將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，如果成功，將成為太空中最精準的時間頻率系統，數億年誤差小於1秒。

張偉介紹，此前中國科學家曾在2016年發射的天宮二號空間實驗室上實現了3000萬年誤差小於1秒的世界首台空間冷原子鐘。

目前中國科學家在地面冷原子鐘實驗的精確度已經超過天宮二號的冷原子鐘。

中國空間站還將擇機發射“巡天空間望遠鏡”，與空間站共軌長期獨立飛行，開展巡天觀測，有望在太陽系外行星及宇宙演化方面取得新發現。