“天問一號”火星探測器計劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開展巡視探測。面對“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器保駕護(hù)航。納米氣凝膠，到底有何神奇之處？如何為“天問一號”保駕護(hù)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(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(yīng)對“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境。同時，納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)，讓它跑得更快、更遠(yuǎn)。

中國航天科工集團(tuán)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(gòu)成的一個三維立體網(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，可見光可以從中間穿過，同時會發(fā)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(lán)色煙霧，這和天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原理是一樣，所以它還有一個很好聽的綽號，叫做“藍(lán)煙”。

當(dāng)我們把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，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一個單獨(dú)的房間，把單個的氣體分子關(guān)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(shù)部主任李文靜說，氣凝膠有兩個比較顯著的特點(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，它擁有的表面就可以覆蓋一個標(biāo)準(zhǔn)足球場。

如何為“天問一號”保駕護(hù)航？

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

“極熱”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動機(jī)產(chǎn)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(yàn)出現(xiàn)在火星巡視階段，通過在火星車的表面鋪設(shè)大面積的氣凝膠板，能夠確保火星車在零下130℃的環(huán)境正常工作。就像登山運(yùn)動員身上穿的防寒服。為了給火星車減負(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，二是它能夠通過微觀結(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)勢進(jìn)一步發(fā)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(dǎo)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。”李文靜介紹說。

今年空間站任務(wù)中會有應(yīng)用嗎？

張昊介紹，在空間站的搭建和運(yùn)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(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三十個型號，已經(jīng)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(dá)峰和碳中和”的提出，對節(jié)能環(huán)保等方面的要求會越來越高，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，工廠的能源消耗會大幅下降。在工業(yè)保溫、新能源汽車、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。