1600℃! Sicheres „Spielen mit dem Feuer“ in der Dream Sky Cabin

Die Entwickler prüfen die Ausrüstung. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Der eine möchte am Himmel „mit dem Feuer spielen“, der andere möchte am Himmel „Elixiere brauen“. Diese beiden wissenschaftlichen Experimentierschränke im Mengtian-Labormodul der chinesischen Raumstation können als das „heißeste“ Paar bezeichnet werden – der Experimentierschrank für Verbrennungswissenschaften und der Experimentierschrank für Hochtemperatur-Materialwissenschaften.

Kürzlich enthüllten der Chefdesigner des Experimentalkabinetts und andere Forscher gegenüber China Science Daily, wie die Dream Space Capsule das heißeste Feuer im Weltraum entzündet.

1600℃ „Alchemieofen“

1600℃! Dies ist die maximale Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Experimentierschranks für Materialwissenschaften in der Mengtian-Kabine und zugleich die höchste Temperatur, die in der wissenschaftlichen Experimentierkabine der Internationalen Raumstation erreicht werden kann.

Der Schmelzpunkt von Kupfer liegt bei 1085 °C, der Schmelzpunkt von Einkristall-Silizium bei 1410 °C ... Je höher die Betriebstemperatur des Laborschranks, desto breiter der Forschungsumfang und desto größer die Möglichkeit revolutionärer Ergebnisse. Materialwissenschaftliche Forschung im Weltraum zu betreiben, ist der Traum fast jedes Materialwissenschaftlers.

„Die Schwerkraft der Raumstation beträgt nur 0,001 bis 0,000001 Beschleunigung, was wahrscheinlich Materialien erzeugt, die auf der Erde nicht hergestellt werden können.“ Liu Xuechao, Forscher am Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefdesigner des wissenschaftlichen Experimentalsystems des wissenschaftlichen Experimentalschranks für Hochtemperaturmaterialien, sagte:

Für chinesische Wissenschaftler ist es jedoch nicht leicht, ihre Träume zu verwirklichen. In der Internationalen Raumstation beträgt die maximale Betriebstemperatur des US-Labormoduls Destiny 1400 °C, des europäischen Columbus 1400 °C, des japanischen Hope 1600 °C und des russischen Science 1200 °C.

„Früher fehlten uns die Ressourcen, aber jetzt bietet sich uns eine großartige Gelegenheit. Als wir das Projekt starteten, stellten wir sicher, dass alle technischen Indikatoren denen ähnlicher Geräte auf der Internationalen Raumstation in nichts nachstanden“, sagte Liu Xuechao.

Sie tun, was sie sagen. Derzeit ist eine Reihe von Indikatoren des Hochtemperatur-Materialwissenschafts-Experimentierschranks weltweit führend – die Temperaturstabilität erreicht plus/minus 0,2 °C, die Anzahl der automatisierten Proben beträgt 16 und erstmals wird eine Röntgen-Echtzeitbeobachtung verwendet.

In einer Charge wurden 16 Proben verarbeitet, womit der Rekord von 15 Proben des japanischen Materialversuchsgeräts Hope GHF gebrochen wurde. Dies bedeutet, dass die Astronauten nach dem Aufhängen von 16 Proben mehrere Monate lang keine Operationen durchführen müssen. Der Experimentierschrank führt alle Experimente autonom durch, was die Effizienz und Genauigkeit erheblich verbessert.

Zhang Minghui, assoziierter Forscher am Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefdesigner des wissenschaftlichen Experimentiersystems des wissenschaftlichen Experimentierschranks für Hochtemperaturmaterialien, sagte, dass Batch-Experimente ein bisschen wie das Magazin eines Revolvers seien, das die Experimente nacheinander rotieren lasse. Die CCD-Kamera, die Echtzeitfotos des gesamten Versuchsvorgangs macht, ist wie Laozis Junge, der den „Alchemieofen“ ständig bewacht.

Es wird davon ausgegangen, dass Wissenschaftler zur Verbesserung der Erfolgsquote von Weltraumexperimenten eine große Anzahl entsprechender Experimente auf der Erde durchgeführt haben und das Verhältnis zu Weltraumexperimenten 95:5 erreicht hat. Eine Minute auf der Bühne, zehn Jahre harte Arbeit abseits der Bühne. Zhang Minghui sagte: „Wir führen ein Erwärmungsexperiment am Himmel durch und führen am Boden eine starke Verhärtung durch.“

Zahlreiche Maßnahmen für absolute Sicherheit

„Ist es nicht zu gefährlich, in der Raumstation mit dem Feuer zu spielen?“ Solche Zweifel gibt es seit dem ersten Tag des Mengtian Capsule Combustion Science Experiment Cabinet-Projekts.

Allerdings ist das Verbrennungsphänomen eng mit dem menschlichen Leben verbunden, ganz zu schweigen davon, dass von Verbrennungsexperimenten im Weltraum bedeutende wissenschaftliche Ergebnisse erwartet werden, was auch eine heiße Forschungsrichtung auf der Welt ist.

Zheng Huilong, Forscher am Institut für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefdesigner des wissenschaftlichen Experimentalsystems des Combustion Science Experiment Cabinet, sagte, dass durch den Weltraum der Einfluss der Konvektion eliminiert werde, was zu einem tieferen Verständnis des Verbrennungsmechanismus führen könne und für die Forschung an Luft- und Raumfahrtmotoren, die Synthese neuer Materialien und die Analyse des PM2,5-Produktionsmechanismus hilfreich sei.

„Unsere Weltraumexperimente begannen spät, aber das verschafft uns auch den Vorteil, ein Nachzügler zu sein.“ Zheng Huilong sagte, dass das Mengtian Capsule Combustion Science Experiment Cabinet äußerst vielseitig und leistungsstark sei. Seine Sensoren können Temperaturen von bis zu 3000 °C messen und seine Hochgeschwindigkeitskamera kann 3000 Fotos pro Sekunde aufnehmen. Wissenschaftler aus aller Welt können sich für wissenschaftliche Forschungsprojekte bewerben.

Um die absolute Sicherheit des Verbrennungsexperiments zu gewährleisten, ergriff das Forschungs- und Entwicklungsteam mehrere Maßnahmen: Die größte Flamme im Experiment entsprach lediglich der Brennmenge von 3 Geburtstagskerzen und die Brennkammer konnte einem Druck von 9 Atmosphären standhalten; der Kraftstoff wurde vom Sauerstoff isoliert, um Unfälle zu verhindern; Die Verbrennungsprodukte wurden mehrfach gefiltert und geborgen, um das Leben und die Gesundheit der Astronauten zu gewährleisten. Darüber hinaus haben Forscher zahlreiche Frühwarnsysteme eingerichtet.

Der Hochtemperatur-Materialwissenschafts-Experimentierschrank war der erste weltweit, der ein Röntgengerät zu einer Raumstation transportierte.

Sun Jinchuan, leitender Ingenieur am Lanzhou Institute of Space Technology and Physics der China Aerospace Science and Technology Corporation und stellvertretender Chefdesigner des wissenschaftlichen Experimentalsystems des Hochtemperatur-Materialwissenschafts-Experimentierschranks, sagte, dass das Röntgen-Experimentiergerät das „Adlerauge“ der Weltraumwissenschaftsexperimente sei, das während des Vorbereitungsprozesses durch Visualisierungsmaßnahmen Bildinformationen und Daten von Materialproben in Echtzeit erfassen könne.

Um zu verhindern, dass Röntgenstrahlen die Gesundheit der Astronauten beeinträchtigen, hat das Forschungs- und Entwicklungsteam ein Abschirm- und Absorptionssystem entwickelt. Selbst wenn das Gerät mit voller Leistung betrieben wird, liegt der Röntgenüberlauf weit unter dem nationalen Standard.

Dank technischer Durchbrüche wurde im Hochtemperatur-Experimentierschrank für Materialwissenschaften außerdem eine Innentemperatur von 1600 °C und eine Außentemperatur von weniger als 40 °C erreicht, so dass sich der Schrank weder kalt noch heiß anfühlt, sondern fast der Körpertemperatur der Astronauten entspricht.

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Um 15:30 Uhr Am 31. Oktober wurde die Mengtian-Kapsel an Bord der Trägerrakete Langer Marsch 5 ins All geschossen. Liu Xuechao, Zheng Huilong und andere, die den Start in Wenchang, Hainan, beobachteten, rannten aufgeregt über den Rasen.

In diesem Moment wurden sie von Emotionen überwältigt.

Alle technischen Indikatoren stehen denen ähnlicher internationaler Geräte in nichts nach und viele davon sind internationale Neuheiten, was bedeutet, dass der gesamte Prozess vom Entwurf bis hin zu Forschung und Entwicklung schwierig sein muss. In 6 Jahren haben sie den Überblick verloren, wie oft sie versagt haben.

Einmal brachen die erhitzten Keramikbauteile dreimal hintereinander und mussten jedes Mal neu konstruiert, neu geformt und getestet werden. Bevor er zum letzten Mal zur Werkbank ging, erzählte ein Kollege Liu Xuechao, dass er letzte Nacht geträumt habe, dass die Keramik wieder gesprungen sei. Liu Xuechao lächelte bitter und sagte: „Was für ein Zufall, ich hatte denselben Traum.“ Glücklicherweise wurde das Experiment schließlich bestanden.

Um 16 Proben in Chargen zu platzieren, erstellten technische Experten des Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zehn Sätze Pläne, aber es reichte immer noch nicht für alle Proben. Aber sie sagten sich: Nein, sie müssen es loslassen. Schließlich wurde durch kontinuierliche Iteration des Designs der Raum optimal genutzt und 16 Proben platziert.

Um das Gesamtgewicht innerhalb der Norm zu halten, wurde das Design des Experimentierschranks für Hochtemperaturmaterialien fünf Runden einer Gewichtsreduzierung unterzogen, wobei Fortschritt und Sicherheit gewährleistet und gleichzeitig das Gewicht jedes Details reduziert wurde. In der letzten Runde sagte Sun Jinchuan lächelnd: „Können Sie bitte aufhören, den Schrank zu verkleinern? Ich habe selbst mehrere Kilogramm abgenommen.“

Es gab so viele Momente, in denen ich das Gefühl hatte, ich könne „nicht weitermachen“, aber irgendwann bin ich aufgestanden und zur „unzerstörbaren Kakerlake“ geworden. Rückblickend sagte Sun Jinchuan zuversichtlich: „Diese spezifischen Technologien, die wir erobert haben, sind zu unseren Kerntechnologien geworden.“

Im Rahmen dieser nationalen Zusammenarbeit ist zwischen Experten führender wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen auch eine tiefe Freundschaft entstanden. „Ohne die Unterstützung so vieler Einheiten hätten wir ein so komplexes Projekt nicht in so kurzer Zeit abschließen können. Dies spiegelt die starken Design-, wissenschaftlichen Forschungs- und Integrationsfähigkeiten unseres Landes wider“, sagte Zheng Huilong.

Um sicherzustellen, dass die Rückwand nicht einstürzt, haben insbesondere in den letzten Jahren alle keinen Urlaub bekommen und müssen jeweils einen Monat lang auf Geschäftsreise gehen, wodurch sie das Risiko einer Epidemie eingehen. Während des diesjährigen Frühlingsfests trafen sich Forschungs- und Entwicklungsteams aus dem ganzen Land in Peking, um vor der Auslieferung des Prototyps die letzten Fehlerbehebungen durchzuführen. Sie arbeiteten bis ein oder zwei Uhr morgens am Silvesterabend und kehrten am Neujahrstag um 8 Uhr morgens zur Arbeit auf die Baustelle zurück.

„Unser gesamtes Team hat hart gekämpft“, sagte Zheng Huilong. „Da wir eine nationale Mission übernommen haben, müssen wir eine perfekte Antwort liefern. Dies ist der Geist der Luft- und Raumfahrt und auch der grundlegende Grund, warum die Luft- und Raumfahrtindustrie meines Landes sich weiterhin selbst übertreffen kann.“

(Ursprünglich veröffentlicht in China Science Daily, 30.11.2022, Seite 4)