一个研究者的指南：微重力材料研究

一个研究者的指南：美国国家航空航天局微重力材料研究2 作者：封面：封底：这个国际空间站（ISS）研究员指南由NASA ISS项目研究整合办公室发布，并与国际空间站国家实验室合作编写® ，由太空科学进步中心™（CASIS™）管理。ZBLAN（锆钡镧铝钠氟化物）纤维在传统1g工艺（右）和NASA KC-135低重力飞机上的实验（左）中拉伸的截面。1g纤维粗糙的表面表明存在表面缺陷，这些缺陷会散射光信号并大大降低其质量。ZBLAN是重金属氟化物玻璃家族的一部分。NASA正在研究在太空中低g环境下拉伸ZBLAN纤维，以防止结晶，从而限制ZBLAN在基于光纤的通信中的实用性。ZBLAN是一种重金属氟化物玻璃，在红外激光高吞吐量通信方面显示出巨大的潜力。（图片来源：NASA/Marshall空间飞行中心）菲利普·H·伊拉斯，博士 蔡丹 帕尔塔·杜塔，博士 罗腾飞，博士 道格拉斯·马森，博士 弗雷德里克·迈克尔·詹纳图恩·纳韦，博士 安德鲁·奥康纳 吉塔·拉贾戈帕兰 赖安·D·里斯，博士 迈克尔·S·罗伯茨，博士 迈克尔·P·桑索西 理查德·韦伯，博士扫描电子显微镜在DLR-Köln拍摄的Cannon-Muskegon CMSX-4 Plus（SLS）显微照片：（a）样品在地面制备后凝固的合金液滴，在浮力测试之前；（b）使用JAXA ELF（静电浮力炉）在空间站ISS上处理后的状态，以及（c）在地面使用NASA-MSFC静电浮力设施的状态。（图片来源：Douglas Matson，博士，塔夫茨大学）发布：2015年9月 修订：2025年5月执行编辑：詹妮弗·汉密尔顿技术编辑：芭芭拉·刘易斯设计师：芭芭拉·刘易斯3实验室开放在距离地球250英里的轨道上，国际空间站提供了一个平台，用于研究改善地球生活、实现太空探索、理解宇宙以及促进近地轨道经济发展。这份研究人员指南旨在帮助潜在的ISS材料科学研究人员利用微重力环境进行实验，以了解热质传递如何影响材料加工。它涵盖了可用于开展材料科学研究的基础设施，提供了过去和当前微重力材料研究的案例，并讨论了未来在ISS上进行材料科学研究的有前景的领域。NASA宇航员和第69次任务飞行工程师弗兰克·鲁比奥在微重力科学手套箱（MSG）中更换石墨烯气凝胶样品，进行一项太空制造研究。这项物理学研究旨在生产一种优越、均匀的材料结构，有利于能源存储、环境保护和化学传感。照片由NASA提供。45 51. 微重力2. 极端条件3. 低地球轨道为国际空间站提供了独特的观测点，高度约为2403. 独特视角 在低地球轨道上，高度为51英里（400公里），轨道倾角超过地球90%度，90分钟的轨道运行，人口稠密区。这可以提供改进的空间分辨率，与典型的太阳同步轨道相比，其轨道路径覆盖了地球90%以上的人口，高度变化约为250英里（400公里），且轨道光照条件不同。这是地球遥感卫星。 视角与典型地球遥感卫星的太阳同步轨道相比，可提供更高的空间分辨率和可变的光照条件。国际空间站特色 国际空间站研究环境的独特之处 研究环境在 iss 环境中包括暴露于极端2. 极端条件 在空间站环境中包括热和冷循环、超高真空、原子氧和高能辐射暴露于极端热和冷循环、超高辐射。对暴露于这些极端真空、原子氧和高能辐射的材料进行测试和认证。测试条件已提供数据，以实现长期制造和使用于地球以及世界上最可靠组件的材料认证。 条件已提供数据以支持制造复杂的卫星和航天器部件。 用于地球以及世界上最为先进的卫星和航天器，在51度倾角和90分钟轨道上的长寿命、可靠组件。1. 持续微重力 ，或失重，改变了许多可观测现象 ，或近似失重，在物理科学和生命科学中发生变化。受影响的系统和过程包括 物理和生命科学中的许多可观测现象。受微重力影响的系统和过程 微重力包括表面润湿和界面张力，多相包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固，以及流和传热，多相系统动力学，火灾现象和燃烧。微重力引发大量熔化和凝固、燃烧现象。从细菌到人类的各种生物体发生变化，包括全球微重力引发大量生物体变化，基因表达的改变和细胞三维聚集形成组织状 从细菌到人类，包括全球变化的建筑。 在基因表达和细胞聚集成组织样结构中。6 3 5 8 9 10 10 10 11 19 20 25 26 28 30 31 33 34 41 41 42 43 44 47 47 48 48 49 50 51 52目录微重力下材料科学研究的前景向国际空间站提供资金、发展和发射研究实验室开放国际空间站研究环境的独特之处为什么使用国际空间站作为材料研究实验室微重力下的材料科学研究：经验教训材料研究设施飞行实验的物流、运营和住宿增材制造夫尔纳森斯通用设施模块化多功能设施以往/进行中微重力材料科学研究国际资金来源 NASA国际空间站国家实验室太空生产应用 国际空间站与NASA合作引用金属钎焊、焊接及连接 玻璃与陶瓷 半导体眼镜 & 陶瓷 金属 多相材料 纳米材料 高分子材料 半导体78 大多数材料是由部分或完全流动的样品形成的，并且在凝固过程中从流体向固体传递热量和质量，这本质上影响着材料的形成及其最终性能。国际空间站提供了一个长时间的微重力环境，用于进行实验，使研究人员能够在几乎不存在重力驱动力的条件下研究热量和质量传递对材料过程的影响。微重力环境大大减少了浮力驱动的对流、静水压力和沉降。它还可以有利于设计减少容器相互作用的实验。减少这些与重力相关的热量和质量传递来源可以用来确定材料过程和微观结构形成是如何受到重力驱动和非重力来源的热量和质量传递影响的。为什么使用国际空间站作为材料研究实验室这个的目的 研究员指南：微重力下的材料科学研究目的是告知研究人员在失重环境下进行材料科学研究的好处，说明在国际空间站（ISS）上进行的一些令人印象深刻的科学探测，并激励研究人员利用独特的失重环境取得突破性科学成就。该指南回顾了从过去的材料科学研究中学到的一些关键经验，简要描述了ISS上支持材料研究的设施，突出了ISS上过去和正在进行的一些材料科学研究，并讨论了对未来太空材料研究至关重要的研究领域。其他重要的研究领域可以在 在太空中蓬勃发展：确保生物与物理科学研究未来：2023-2032年度调查报告 国家科学、工程与医学研究院最近发布的十年调查。国际空间站上的材料科学实验已取得广泛而重大的科学进展，包括为预测材料在地球上的加工过程中性能而开发改进的数学模型，以及实现对凝固过程中微观结构形成的更好理解，以控制各种合金的材料性能。随着世界上首屈一指的轨道实验室在本世纪末（2030年）继续运行，太空中的材料研究数量和质量以及由此给人类带来的效益预计将继续增加。9 国际空间站（ISS）上的材料科学研究在理解在微重力环境下处理材料的关键问题方面取得了丰硕成果。主要的研究重点是流体的研究，其中沉降、浮力驱动的对流以及密度驱动的运动效果可以有效地与扩散控制过程分离。这些条件使得能够探索新的非平衡效应，以及研究在减重环境下处理材料的实际相关问题。以下是从过去的材料科学研究中学到的一些关键经验教训：实验结果已表明重复测量的必要性。 • 观察到的现象仅仅是孤立效应，还是它们展示了地球与基于微重力的过程