Das Wissenschaftsmodul Mengtian (, ) ist das dritte Modul der Chinesischen Raumstation. Es wurde am 31. Oktober 2022 um 07:37 Uhr UTC mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 5B vom Kosmodrom Wenchang gestartet. Knapp 13 Stunden später, am 31. Oktober 2022 um 20:27 Uhr UTC, koppelte das Modul zunächst am vorderen Stutzen der Bugschleuse des Kernmoduls Tianhe an. Nach gründlicher Überprüfung wurde es am 3. November 2022 an den Backbordstutzen der Bugschleuse umgesetzt, wo es um 01:32 Uhr UTC fest verankert wurde.
Beschreibung Das von der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie gebaute Wissenschaftsmodul Mengtian ist mit dem Drehgestell für die Solarzellenflügel insgesamt 17,9 m lang, sein größter Durchmesser beträgt 4,2 m und sein Startgewicht 23 t. Das Wissenschaftsmodul Mengtian besteht aus drei Abschnitten: die an die kugelförmige Schleusensektion des Kernmoduls anschließende Arbeitssektion mit einem Außendurchmesser von 4,2 m und einer Gesamtlänge von 9,3 m. Der eigentliche Innenraum der Arbeitssektion, also ohne Koppelmechanismus, Eingangsbereich etc., ist 6,6 m lang. Danach folgt die 4,5 m lange Nutzlast- und Schleusensektion mit einem Durchmesser von 4,1 m sowie eine 5,1 m lange, konisch zulaufende Versorgungssektion mit einem maximalen Durchmesser von 2,5 m, an der die Solarmodule und die nach oben, zu den Tianlian-Relaissatelliten in ihren geostationären Umlaufbahnen gerichtete Parabolantenne für die Kommunikation mit dem Raumfahrtkontrollzentrum Peking befestigt sind. Da die einzelnen Sektionen ineinandergreifen, ist die Summe ihrer Einzellängen größer als die Gesamtlänge des Moduls.
An der Versorgungssektion befinden sich auch die Triebwerke des Moduls sowie an der zum Kernmodul zeigenden Seite des Konus vier kugelförmige Tanks von jeweils 400 l Fassungsvermögen, jeweils zwei für den Treibstoff Methylhydrazin und den Oxidator Distickstofftetroxid. Zur eventuell nötigen Anhebung des Orbits (was in der Regel mit den Ionentriebwerken am Heck des Kernmoduls Tianhe durchgeführt wird) besitzt das Wissenschaftsmodul Mengtian vier mit Helium druckgasgeförderte Triebwerke mit jeweils 490 N Schubkraft. 24 kleinere Triebwerke mit jeweils 150 N Schubkraft unterstützen notfalls die Momentenkreisel bei der Lageregelung der Station, und mit 8 Triebwerken von jeweils 120 N kann die Station in eine rollende Bewegung versetzt werden.
mini|links|Das Wissenschaftsmodul Mengtian Die rotierenden Solarmodule sind mit denen des Wissenschaftsmoduls Wentian identisch: jede der beiden Sektionen ist 23 m lang, zusammen mit der Halterung in der Mitte besitzt die Stromversorgungseinheit eine Spannweite von 55 m. Mit 110 m² reiner Solarzellenfläche pro Flügel (inklusive des zentralen Leerstreifens hat ein Solarzellenflügel eine geometrische Ausdehnung von 138 m²) erzeugt die Einheit mindestens 13,5 kW, bei guter Beleuchtung 14,6 kW. Die beiden Flügel sind stromkreismäßig voneinander getrennt; wenn ein Flügel beschädigt werden würde, würde das Wissenschaftsmodul Mengtian immer noch 6,75 kW zur Stromversorgung der Station beitragen. Die Nennspannung beträgt 100 V.
An der Nadir- und der Zenit-Seite der Schleusensektion befinden sich in Längsrichtung aufklappbare Türen von 2,0 × 2,5 m, auf deren Innenseite sowie – auf der Zenitseite – in dem Raum darunter jeweils acht, also insgesamt 24 Nutzlasten platziert und dem Weltall ausgesetzt werden können. Insgesamt können außen an dem Modul 37 Nutzlastbehälter mit standardisierten Anschlüssen für Stromversorgung und Datenleitungen angebracht werden, in neun Regalen im Inneren des Moduls 13 Behälter. Für einen Teil der Außennutzlasten steht ein vom Kühlsystem der Station getrennter, an der Außenwand des Moduls angeordneter Kühlkreislauf zur Verfügung, über den ein Wärmestrom von insgesamt 2 kW abgeleitet werden kann.
Das Wissenschaftsmodul Mengtian dient der Forschung. In der Arbeitssektion befindet sich zwar ein Ruderergometer, aber keine Toilette. Mengtian verfügt nur über ein einfaches, nicht regeneratives Lebenserhaltungssystem, vergleichbar den Tiangong-Raumlabors. Im Regelfall wird das Modul über die Ringleitungen der Raumstation im Koppeladapter versorgt. Bei einem Notfall würden sich die Raumfahrer in das Kernmodul Tianhe oder das Wissenschaftsmodul Wentian flüchten, um dort auf Rettung zu warten.
Laborschränke Unmittelbar hinter der Eingangsluke des Wissenschaftsmoduls Mengtian befinden sich Schränke zur Aufbewahrung von Geräten und Material. Dahinter folgt ein Bereich, wo die Raumfahrer mit dem Ruderergometer und Expanderbändern Sport treiben können. Danach kommen acht Laborschränke, wobei der Schwerpunkt auf Materialforschung und physikalischer Grundlagenforschung liegt: Für jeden Laborschrank steht eine elektrische Leistung von 1,5 kW zur Verfügung (es sind nicht alle Laborschränke gleichzeitig in Betrieb), über Wärmetauscher und den Kühlkreislauf der Station kann ein Wärmestrom von 5 kW abgeleitet werden. Hier die beim Start des Moduls vorinstallierten Laborschränke: mini|Duplikat des Laborschranks für Physik ultrakalter Atome im Chinesischen Nationalmuseum Zweiphasensysteme, II. Quadrant (rechts) Atomuhren, II. Quadrant (rechts) Analyse medizinischer Präparate, II. Quadrant (rechts) Verbrennungslehre, IV. Quadrant (links) Online-Wartung von Geräten, IV. Quadrant (links) Fluiddynamik, III. Quadrant (Zimmerdecke) Hochtemperatur-Materialwissenschaft, III. Quadrant (Zimmerdecke) Physik ultrakalter Atome, III. Quadrant (Zimmerdecke)
Der Laborschrank für Fluiddynamik wurde vom Schwerpunktlabor für Mikrogravitation am Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und gebaut. Er dient vor allem dazu, komplexe Flüssigkeiten zu erforschen, bei denen zwei Phasen koexistieren. Das Fließverhalten der Kolloide kann gemessen, Spektrum und Streuung in Ruhe und beim Fließen können ermittelt werden. Die Flüssigkeiten können in Rotation versetzt, die Scherung beobachtet und die Viskosität gemessen werden. Bei Kolloiden mit Partikeln, die größer als 500 nm sind, kann mit einem Mikroskop direkt beobachtet werden, wie sich diese Partikel unter dem Einfluss der Scherkräfte untereinander verhalten und welche Strukturen sich dabei ausbilden. Bei Partikelgrößen unter 500 nm kann über Spektrum und Streuung ermittelt werden, auf welche Art und wie schnell sich die Partikel konzentrieren.
Das Zusammenfinden von Partikeln in Kolloiden stellt ein vergrößertes Modell der Kristallbildung dar, das es ermöglicht, Prozesse zu erforschen, die bei richtigen Kristallen auf atomarer Ebene nicht beobachtet werden können. Neben materialwissenschaftlicher Grundlagenforschung zum Glasübergang dienen diese Experimente sowohl zur Verbesserung des regenerativen Lebenserhaltungssystems der Raumstation als auch der Abwasserbehandlung auf der Erde und der Regulierung der Sedimentation von Flüssen (letzteres ist ein Hauptarbeitsgebiet des Instituts für Mechanik). Auch in Pharmazie und Biotechnologie spielen diese Prozesse eine große Rolle.
Der Laborschrank für Verbrennungslehre dient zur Entwicklung von Brandschutzmaßnahmen, zur Optimierung von Triebwerken und zur Erprobung von Methoden zur Eindämmung von Ruß und anderen Abfallprodukten. Hierfür besitzt er ein Gerät, mit dem die Geschwindigkeit von Rußpartikeln im Raum gemessen und als Geschwindigkeitsfeld dargestellt werden kann.
Im Laborschrank für Hochtemperatur-Materialwissenschaft kann die Herstellung und Verarbeitung von Materialien in der Schwerelosigkeit erprobt werden, es können noch im Laborschrank Messungen durchgeführt werden. Die Materialien in 16 Probenbehältern können bis auf 1600 °C erhitzt werden, wobei die gewünschte Temperatur über einen Zeitraum von bis zu 100 Stunden mit einer Genauigkeit von ±0,25 °C stabil gehalten werden kann (in der Regel dauern die vom Zentrum für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls gesteuerten Versuche in dem Laborschrank mindestens 20 Stunden). Auf der Außenseite wird das Gerät nicht wärmer als 45 °C. Wenn eine gleichmäßige Erwärmung gewünscht wird, beträgt der maximale Temperaturgradient 150 K/cm. Eine Materialprobe kann aber auch mit einem einstellbaren Wärmefeld über ihre Länge in Stufen erwärmt oder an ausgewählten Stellen geschmolzen werden. Für eine rasche Abkühlung steht eine Wasserkühlung zur Verfügung, außerdem können Materialproben mit einem Magnetfeld in Rotation versetzt werden. Mit einem Röntgengerät können die Schmelz- und Erstarrungsvorgänge in Echtzeit beobachtet werden, sowohl durch die Raumfahrer selbst als auch von der Erde aus. Als erster Werkstoff wurde in dem Laborschrank Indium(III)-selenid getestet, ein weicher Halbleiter, der bei zusammenfaltbaren Mobilgeräten breite Verwendungsmöglichkeiten besitzt, aber in der Schwerkraft der Erde wegen seiner leichten Verformbarkeit nur schwer untersucht werden kann.
Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Zeitgebung in der Schwerelosigkeit, was zum Beispiel für Navigationssatelliten im Tiefraum von Bedeutung ist. Es soll eine verbesserte Version der Rubidium-Kaltatomuhr des Raumlabors Tiangong 2 – auf der Chinesischen Raumstation steht mehr elektrische Leistung für die Kühllaser zur Verfügung – mit einer Wasserstoff-Maser-Uhr und einer optische Uhr kombiniert werden, um so, ähnlich wie beim geplanten Atomic Clock Ensemble in Space für die Internationale Raumstation ISS, zu einem Zeitgeber zu kommen, der sowohl eine hohe Kurzzeit- als auch eine hohe Langzeit-Stabilität besitzt.
Baugruppenträger für Raumfahrt-Grundlagenforschung In dem der Erde zugewandten I. Quadranten des Wissenschaftsmoduls Mengtian befindet sich unmittelbar beim Zugang zur kugelförmigen Schleusensektion unter dem „Fußboden“ der Baugruppenträger für Raumfahrt-Grundlagenforschung (航天基础试验机柜). Im Gegensatz zu den anderen Laborschränken des Arbeitsraums wurde dieser Baugruppenträger nicht von der Akademie der Wissenschaften, sondern von der Hauptentwicklungsabteilung der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaut. Er besitzt zehn mit Handgriffen versehene Einschübe verschiedener Größe, ähnlich den Schubladen einer Kommode, und dient der Firma zur ingenieurtechnischen Grundlagenforschung, zur Erprobung von Schlüsseltechnologien für die langfristige Entwicklung der chinesischen Raumfahrt.
Stirlinggenerator mini|Der Baugruppenträger für Raumfahrt-Grundlagenforschung. Links ganz unten der Stirlingmotor, rechts die zweite Baugruppe von oben der Schleifring-Test, die dritte Baugruppe von oben das Flüssigmetall-Experiment. So wurde dort vor dem Start des Wissenschaftsmoduls der Prototyp eines Stirlingmotors eingebaut, der mit Helium als Arbeitsgas arbeitet und die von Radionuklid-Heizelementen erzeugte Wärme mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrischen Strom umwandelt. Der vom Forschungsinstitut für weltraumbezogene technische Physik Lanzhou entwickelte Generator erzielte bei einem Temperaturverhältnis von 2,2 zwischen warmem und kaltem Ende einen Wirkungsgrad von 24,7 %. Ende März 2023 hatte der Generator drei Testläufe im Orbit absolviert, wo das Starten des Motors, die Regulierung und der stabile Langzeitlauf erfolgreich erprobt wurden. Neben seinem geringen Gewicht hat der Stirlingmotor den Vorteil, relativ leise zu sein, was bei bemannten Missionen ein wichtiger Aspekt ist. Die Akademie für Weltraumtechnologie plant, den Generator nicht nur für Missionen zum Mond und zum Mars, sondern – in fernerer Zukunft – auch für bemannte Flüge vom Mars zu den Jupitermonden zu verwenden, wo Solarmodule aufgrund der geringen Sonneneinstrahlung, die beim Jupiter nur 4 % derjenigen im Erde-Mond-Raum beträgt, zur Stromerzeugung nicht mehr geeignet sind.
Flüssigmetall