“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器計(jì)劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開(kāi)展巡視探測(cè)。面對(duì)“極熱”和“極寒”的任務(wù)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(cè)器保駕護(hù)航。納米氣凝膠，到底有何神奇之處？如何為“天問(wèn)一號(hào)”保駕護(hù)航？對(duì)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(gè)啥？

在“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器中，使用了我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的多項(xiàng)“黑科技”，其中之一便是應(yīng)用在火星車(chē)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(lái)應(yīng)對(duì)“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境。同時(shí)，納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車(chē)的負(fù)擔(dān)，讓它跑得更快、更遠(yuǎn)。

中國(guó)航天科工集團(tuán)三院306所副所長(zhǎng)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(gòu)成的一個(gè)三維立體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達(dá)99.8%。由于它的骨架結(jié)構(gòu)是納米尺度的，可見(jiàn)光可以從中間穿過(guò)，同時(shí)會(huì)發(fā)生瑞利散射，讓最常見(jiàn)的二氧化硅氣凝膠肉眼看上去像是被凍住的藍(lán)色煙霧，這和天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原理是一樣，所以它還有一個(gè)很好聽(tīng)的綽號(hào)，叫做“藍(lán)煙”。

當(dāng)我們把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時(shí)候，它纖細(xì)的骨架讓熱量傳導(dǎo)變得非常困難，相當(dāng)于讓熱量沿著羊腸小道在三維網(wǎng)絡(luò)上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個(gè)一個(gè)單獨(dú)的房間，把單個(gè)的氣體分子關(guān)起來(lái)，讓氣體分子既不能流動(dòng)也不能彼此接觸，能夠把對(duì)流傳熱消于無(wú)形。

中國(guó)航天科工三院306所第五技術(shù)部主任李文靜說(shuō)，氣凝膠有兩個(gè)比較顯著的特點(diǎn)。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?yàn)闅饽z的孔隙率特別高，達(dá)99.8%以上，基本由空氣填充，所以賦予了氣凝膠特別輕質(zhì)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(kāi)，它擁有的表面就可以覆蓋一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。

如何為“天問(wèn)一號(hào)”保駕護(hù)航？

張昊介紹，“天問(wèn)一號(hào)”上一共應(yīng)用了兩種氣凝膠材料，分別用來(lái)應(yīng)對(duì)“極熱”和“極寒”。

“極熱”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使周?chē)臏囟瘸^(guò)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(gè)著陸過(guò)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(yàn)出現(xiàn)在火星巡視階段，通過(guò)在火星車(chē)的表面鋪設(shè)大面積的氣凝膠板，能夠確保火星車(chē)在零下130℃的環(huán)境正常工作。就像登山運(yùn)動(dòng)員身上穿的防寒服。為了給火星車(chē)減負(fù)，讓它“跑”得更快，“跑”得更遠(yuǎn)。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?yàn)樗诿芏取⒛蜏匦阅芎透魺嵝阅艿确矫嬗邢忍斓膬?yōu)勢(shì)，二是它能夠通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)性能的差異化，把某一方面的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步發(fā)揮，也就是讓長(zhǎng)板更長(zhǎng)。

“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(dǎo)的隔熱材料。我們給火星車(chē)‘穿上’氣凝膠‘外衣’，使它可以抵抗零下130℃的極低溫度。”李文靜介紹說(shuō)。

今年空間站任務(wù)中會(huì)有應(yīng)用嗎？

張昊介紹，在空間站的搭建和運(yùn)行過(guò)程中，氣凝膠材料會(huì)隨長(zhǎng)征五號(hào)系列火箭、天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)。氣凝膠材料在航天領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，涉及到的航天裝備超過(guò)三十個(gè)型號(hào)，已經(jīng)遍及低空、高空、臨近空間和深空的各類(lèi)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(guó)家對(duì)“碳達(dá)峰和碳中和”的提出，對(duì)節(jié)能環(huán)保等方面的要求會(huì)越來(lái)越高，氣凝膠的隔熱性質(zhì)能發(fā)揮更大作用。如大型化工廠中使用的高溫管道能達(dá)3000公里以上，如果鋪設(shè)氣凝膠這樣更好的隔熱材料，工廠的能源消耗會(huì)大幅下降。在工業(yè)保溫、新能源汽車(chē)、船舶、電梯防火、冷鏈冷藏，建筑節(jié)能、民用家電等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。