“天問一號”的這個秘密了不得

“天問一號”火星探測器計劃于2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。面對“極熱”和“極寒”的任務條件，一種名為“納米氣凝膠”的新型保溫隔熱材料將為火星探測器保駕護航。納米氣凝膠，到底有何神奇之處？如何為“天問一號”保駕護航？對我們的生活有哪些影響？

氣凝膠超輕性能展示

神奇納米氣凝膠到底是個啥？

在“天問一號”火星探測器中，使用了我國獨立自主研發的多項“黑科技”，其中之一便是應用在火星車上的熱控材料——納米氣凝膠。作為一種新型隔熱保溫材料，它將分別用來應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環境。同時，納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車的負擔，讓它跑得更快、更遠。

中國航天科工集團三院306所副所長張昊介紹，納米凝膠是一種不太被大眾熟知的材料，它是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡，網絡結構間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%。由于它的骨架結構是納米尺度的，可見光可以從中間穿過，同時會發生瑞利散射，讓最常見的二氧化硅氣凝膠肉眼看上去像是被凍住的藍色煙霧，這和天空呈現藍色的原理是一樣，所以它還有一個很好聽的綽號，叫做“藍煙”。

當我們把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳導變得非常困難，相當于讓熱量沿著羊腸小道在三維網絡上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個一個單獨的房間，把單個的氣體分子關起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，能夠把對流傳熱消于無形。

中國航天科工三院306所第五技術部主任李文靜說，氣凝膠有兩個比較顯著的特點。一是重量特別輕，在比較輕柔的花朵、羽毛上都可以放置一大片氣凝膠。這是因為氣凝膠的孔隙率特別高，達99.8%以上，基本由空氣填充，所以賦予了氣凝膠特別輕質的性能。二是壁表面積特別大，把10克氣凝膠材料完全鋪展開，它擁有的表面就可以覆蓋一個標準足球場。

如何為“天問一號”保駕護航？

張昊介紹，“天問一號”上一共應用了兩種氣凝膠材料，分別用來應對“極熱”和“極寒”。

“極熱”考驗出現在火星著陸階段，著陸發動機產生的熱量使周圍的溫度超過1000℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅僅10mm左右的材料就能夠在整個著陸過程讓它身后的溫度處于可接受的范圍。就像消防員身上穿的防火服。

“極寒”考驗出現在火星巡視階段，通過在火星車的表面鋪設大面積的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒囋诹阆?30℃的環境正常工作。就像登山運動員身上穿的防寒服。為了給火星車減負，讓它“跑”得更快，“跑”得更遠。這里使用的是超低密度的氣凝膠，自身的密度只有15mg/cm³，同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。

選擇這種材料，一是因為它在密度、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的優勢，二是它能夠通過微觀結構的調控，實現性能的差異化，把某一方面的性能優勢進一步發揮，也就是讓長板更長。

“火星由二氧化碳組成的大氣，需要使用一種可以阻隔氣相傳導的隔熱材料。我們給火星車‘穿上’氣凝膠‘外衣’，使它可以抵抗零下130℃的極低溫度?！崩钗撵o介紹說。

今年空間站任務中會有應用嗎？

張昊介紹，在空間站的搭建和運行過程中，氣凝膠材料會隨長征五號系列火箭、天舟二號貨運飛船執行運輸任務。氣凝膠材料在航天領域已經獲得了廣泛的應用，涉及到的航天裝備超過三十個型號，已經遍及低空、高空、臨近空間和深空的各類飛行器。

氣凝膠的隔熱性能展示

如何“飛入”尋常百姓家？

隨著國家對“碳達峰和碳中和”的提出，對節能環保等方面的要求會越來越高，氣凝膠的隔熱性質能發揮更大作用。如大型化工廠中使用的高溫管道能達3000公里以上，如果鋪設氣凝膠這樣更好的隔熱材料，工廠的能源消耗會大幅下降。在工業保溫、新能源汽車、船舶、電梯防火、冷鏈冷藏，建筑節能、民用家電等領域應用前景廣闊。