作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-6-18 13:09:05
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苏联日光炉重燃科学之火
在高温材料测试方面前景光明

日光反射镜将阳光聚焦到抛物面聚光镜上。图片来源:《科学》

苏联已经不存在了,但是在乌兹别克斯坦首都塔什干以东约40公里的一个小山顶上,仍然保留着这个国家的馈赠:大量的日光炉。这种设备包含几十面高耸的镜子,以便将阳光汇集到大锅大小的目标上。苏联科学家曾希望用它了解军事掩体如何阻挡核灾难以及航天飞机防热罩是否可以承受再入太空的高温。目前,这种过时的庞然大物——近似于克隆法国的一个老旧设备,正在经历科学复兴,并在后苏联时代国家的科学前景中创造闪光点。

“这是一个令人印象深刻的设备。”美国国家科学基金会等离子物理项目负责人Steven Gitomer说。他曾于2009年拜访这里。乌兹别克斯坦研究人员正利用其高温回火高科技材料和锻造新混合物,并且一个国际研究小组已经宣布了惊人发现。科学家表示,一种在火炉中烘烤的铜酸盐混合物在某一温度下显示出比其他材料更高的超导特性。美国杜兰大学聚合物化学家Wayne Reed提到,如果得以确证,该结果“将令人兴奋”,他也曾来此参观。

日光炉超越传统设备的主要优势是速度和纯净:一旦阳光对准目标,加热是瞬间的,而且热源不会产生任何污染烟雾。目前全世界只有两个重量级日光炉——能将兆瓦特辐照度聚焦到1平方米的目标上。上世纪60年代,法国在阳光普照的比利牛斯山建造了一台此类设备,主要用于处理氧化锆等耐火材料。负责人Gilles Flamant表示,这台火炉名为PROMES,正继续进行测试航天飞机防热罩和太阳能热力发电等方面的研究。

苏联空间研究人员也需要此类设备,他们希望用日光炉在月球上熔炼材料,用于建设月球基地。“这是一个很酷的主意,即使他们未能圆满完成。”Reed说。1981年,相关设备在天山西麓开始建造,耗时6年并花费1亿美元后,材料科学研究所的物理—太阳设备投产并运行。

62面日光反射镜(每面镜子高7.5米、宽6.5米)组成的阵列,能追踪太阳光线,将光线稳定反射到40米高的抛物面反射镜上。这个集中器会将收集到的光线集中在小于1米宽的塔式目标上,这里的温度能超过3000摄氏度。设备主管、材料学家Ilkham Atabaev表示,从冷战时期到1991年苏联解体前,有大约1500名职员工作在物理—太阳设备中。

目前,该设备仍有160名职员,专注于材料科学研究,例如回火漂浮在石油储存罐中的陶瓷球。日光炉的工业应用则多种多样,乌兹别克斯坦研究人员耗资5万美元为印度冶金研究所等机构建造了微型版本。

而最令人惊讶的实验莫过于超导体研究。物理—太阳设备材料科学家Dila Gulamova及其来自格鲁吉亚安东尼卡司维里物理研究所和美国圣何塞州立大学的同事,将一个由铋、铅、锶、钙、铜和氧气制成的超导化合物放置于日光炉内。通常,在不高于110开尔文的温度下,该物质会变成一个超导体。但是,研究小组宣布,在初步结果中,在火炉中熔化后,该物质中的岛状物在190开尔文的温度下也具有超导性。

就在这些实验在烈日下进行时,大气物理学家Mirzasulton Mamatkosimov领导的另一个团队在物理—太阳设备上孵化出另一个夜间计划。他注意到这些镜子能收集和集中切伦科夫光模糊的闪光——当来自遥远宇宙的宇宙射线和伽马射线冲入高层大气时,这种闪光便穿过天空。

分析切伦科夫辐射能帮助研究人员破译宇宙入侵者的构成和能量频谱。这个日光炉“在伽马射线天文学方面有巨大潜力”,德国马普学会物理学研究所所长、加那利群岛拉帕尔玛岛两架MAGIC切伦科夫望远镜物理学协调人Masahiro Teshima说。他提到,通过使用正确的仪器,乌兹别克斯坦的设备能够补充当前切伦科夫望远镜以及下一代大型切伦科夫望远镜阵列——有望在2020年左右投入运营。

Atabaev希望能通过将其变为用于高温材料测试等的国际设施,以保护日光炉的未来。他还提到,将日光炉用于军事研究已经成为明日黄花,此类测验目前主要用计算机进行模拟。无论如何,Atabaev表示:“现在俄罗斯将不会在这里进行军事研究,因为它担心秘密会被泄露到美国。或许美国人也是同样的想法。”(张章)

《中国科学报》 (2014-06-18 第3版 国际)
 
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