1600℃！ドリームスカイキャビンで安全に「火遊び」

開発者が機器を点検しています。写真提供：インタビュー対象者

一人は空で「火遊び」をしたいと思っており、もう一人は空で「不老不死の薬を作りたい」と思っています。中国の宇宙ステーションの孟天実験モジュールにあるこの2つの科学実験キャビネットは、最も「熱い」ペアであると言えます。それは、燃焼科学実験キャビネットと高温材料科学実験キャビネットです。

最近、実験室の主任設計者と他の研究者らが、ドリームスペースカプセルがどのようにして宇宙で最も熱い火を点火するかを中国科学日報に明らかにした。

1600℃「錬金炉」

1600℃！これは、孟天キャビンの高温材料科学実験室の最高動作温度であり、国際宇宙ステーションの科学実験室で到達可能な最高温度でもあります。

銅の融点は1085℃、単結晶シリコンの融点は1410℃…実験室キャビネットの動作温度が高ければ高いほど、研究の範囲が広がり、革新的な成果が得られる可能性が高まります。宇宙で材料科学の研究を行うことは、ほぼすべての材料科学者の夢です。

「宇宙ステーションの重力加速度はわずか0.001～0.000001で、地上では用意できない物質が生成される可能性がある」中国科学院上海陶磁器研究所の研究員であり、高温材料科学実験キャビネットの科学実験システムの主任設計者である劉雪超氏はこう語った。

しかし、中国の科学者にとって夢を実現するのは容易なことではない。国際宇宙ステーションでは、米国のデスティニー実験モジュールの最高動作温度は1400℃、欧州のコロンバスは1400℃、日本のホープは1600℃、ロシアのサイエンスは1200℃です。

「過去には資源がなかったが、今は大きなチャンスがある。プロジェクトを立ち上げたとき、すべての技術指標が国際宇宙ステーションの同様の装置より劣らないことを確認した」と劉雪超氏は語った。

彼らは言ったことを実行します。現在、高温材料科学実験キャビネットの一連の指標は世界をリードしており、温度安定性はプラスマイナス0.2℃に達し、自動化サンプル数は16個、X線リアルタイム観察は初めて使用されています。

一度に16個のサンプルを処理し、日本のHope GHF材料実験装置が保持していた15個のサンプルという記録を破った。つまり、宇宙飛行士は 16 個のサンプルを吊り下げた後、数か月間は操作を行う必要がないということです。実験キャビネットはすべての実験を自律的に完了し、効率と精度が大幅に向上します。

中国科学院上海陶磁器研究所の副研究員であり、高温材料科学実験キャビネットの科学実験システムの主任設計者である張明輝氏は、バッチ実験は実験を順番に回転させるリボルバーの弾倉のようなものだと語った。実験プロセス全体をリアルタイムで撮影する CCD カメラは、老子の少年のように「錬金術炉」を常に守っています。

宇宙実験の成功率を高めるため、科学者らは地上で多数の一致する実験を実施しており、宇宙実験との比率は95:5に達したとみられる。ステージ上の1分、ステージ外の10年間の努力。張明輝氏は「上空で加熱実験を行っており、地上では多くの強化作業が行われている」と述べた。

絶対的な安全を確保するための複数の対策

「宇宙ステーションで『火遊び』をするのは危険すぎるのではないですか？」こうした疑問は、孟天カプセル燃焼科学実験キャビネットプロジェクトの初日から聞かれていた。

しかし、燃焼現象は人類の生活と密接な関係があり、宇宙燃焼実験は大きな科学的成果を生み出すことが期待されていることは言うまでもなく、世界でも注目されている研究方向です。

中国科学院工程熱物理研究所の研究員で、燃焼科学実験室の科学実験システムの主任設計者である鄭慧龍氏は、宇宙では対流の影響がなくなるため、燃焼メカニズムに対する深い理解が得られ、航空宇宙エンジンの研究、新素材の合成、PM2.5の生成メカニズムの分析などに役立つと述べた。

「我々の宇宙実験は遅れて始まったが、それは後発であることの利点でもある。」鄭慧龍氏は、孟天カプセル燃焼科学実験キャビネットは汎用性が高く、強力であると述べた。センサーは3000℃までの温度を測定でき、高速カメラは1秒間に3000枚の写真を撮影できます。世界中の科学者からの科学研究プロジェクトの応募を受け付けます。

燃焼実験の絶対的な安全性を確保するために、研究開発チームは複数の対策を講じました。実験中の最大の炎は誕生日のろうそく3本分の燃焼量に過ぎず、燃焼室は9気圧の圧力に耐えることができました。事故を防ぐために燃料は酸素から隔離されていた。宇宙飛行士の生命と健康を確保するため、燃焼生成物は複数回濾過され、回収されました。さらに、研究者たちは多くの早期警報システムを構築しました。

高温物質科学実験キャビネットは、X線装置を宇宙ステーションに搭載した世界初の実験装置です。

中国航天科技公司蘭州宇宙物理工学研究所の上級エンジニアで、高温材料科学実験キャビネット科学実験システムの副主任設計者である孫金川氏は、X線実験装置は宇宙科学実験の「鷹の目」であり、可視化手段を通じて、準備過程で材料サンプルの画像情報とデータをリアルタイムで取得できると述べた。

X線が宇宙飛行士の健康に影響を与えないようにするため、研究開発チームは遮蔽・吸収システムを設計した。装置がフルパワーで稼働している場合でも、X線オーバーフローは国の基準をはるかに下回ります。

高温材料科学実験室も、技術革新により、内部温度1600℃、外部温度40℃以下を実現し、宇宙飛行士の体温とほぼ同じで、寒くも暑くも感じません。

完璧な回答を提出する

午後3時30分10月31日、孟天カプセルは長征5号ロケットに搭載されて宇宙に打ち上げられた。海南省文昌市での打ち上げを見守っていた劉雪超さん、鄭慧龍さんらは興奮して芝生を駆け回った。

その瞬間、彼らは感動でいっぱいになりました。

あらゆる技術指標は国際的な類似機器と比べて劣るものではなく、その多くは国際初であり、設計から研究開発までの全プロセスが困難であることを意味します。 6年間で、彼らは何回失敗したか数え切れないほどです。

一度、加熱されたセラミック構造部品が 3 回連続で破損し、そのたびに再設計、再成形、テストを行う必要がありました。最後にメカニックの作業台に行く前に、同僚が劉雪超に昨夜陶器がまた割れる夢を見たと話した。劉雪超は苦笑して言った。「偶然ですね、私も同じ夢を見ました。」幸いなことに、最終的に実験は合格しました。

16個のサンプルを一括して配置するために、中国科学院瀋陽自動化研究所の技術専門家は10セットの計画を作成したが、それでもすべてを収めることはできなかった。しかし彼らは自分たちに、いや、それを手放さなければならないと言い聞かせた。最終的には、デザインの継続的な反復を通じて、スペースを最大限に活用し、16 個のサンプルを配置しました。

総重量を基準内に収めるために、高温材料科学実験キャビネットの設計では5回の軽量化が行われ、細部に至るまで軽量化を図りながら先進性と安全性を確保しています。最終ラウンドで孫金川は笑顔でこう言った。「キャビネットの縮小はやめてもらえませんか？ 私自身も数キロ痩せました。」

「もうだめだ」と思ったことが何度もありましたが、結局は立ち上がって「不滅のゴキブリ」になりました。孫金川氏は過去を振り返り、自信を持ってこう語った。「私たちが獲得したこれらの特定の技術は、私たちの中核技術になりました。」

この国家的な協力において、トップクラスの科学研究機関の専門家らも、深い戦闘的友情を築いてきました。 「多くの部隊の支援がなければ、これほど複雑なプロジェクトをこれほど短期間で完成させることはできなかっただろう。これは我が国の強力な設計、科学研究、統合能力を反映している」と鄭慧龍氏は語った。

特に近年は、後壁が崩れないようにするために、誰もが休暇を取らず、一ヶ月ごとに出張しなければならず、疫病の危険にさらされています。今年の春節期間中、全国各地の研究開発チームが北京に集まり、試作品の納品前に最終的なデバッグを実施しました。大晦日は午前１時か２時まで作業し、元旦の午前８時に現場に戻って作業に臨んだ。

「我々のチーム全員が懸命に戦った」と鄭慧龍は語った。 「国家の使命を担う以上、完璧な答えを出さなければならない。これが航空宇宙の精神であり、我が国の航空宇宙産業が自らを超え続けることができる根本的な理由でもある。」

（中国科学日報2022年11月30日4ページに掲載）