米兰-为探月设备定制“防尘服”—新闻—科学网

从嫦娥奔月到“嫦娥”探月，从对月吟诵“彼苍有月来几时，我今停杯一问之”到月球探测器抵达月背并带回月壤，中国航天手艺的成长为我们慢慢揭开了月球的神秘面纱。

但很少有人知道，在摸索月球的历程中，看似眇乎小哉的月尘却成为阻碍人类摸索月球的主要空间情况身分之一。月尘防护不但对探月工程中探测装备的正常运行相当主要，同样成为庇护宇航员生命健康必不成少的工作。

近日，西安电子科技年夜学电机工程学院王卫东传授团队针对月尘防护提出了新的应对手艺，团队成员、博士研究生王晓在ACS Applied Materials Interfaces上颁发功效论文。

“小”月尘也有“年夜”危险

月尘即月球上的尘埃，这些藐小的硅酸盐颗粒凡是是由月球岩石在持久遭到微陨石撞击、太阳风和宇宙射线照耀后构成的，它们与地球上的尘埃有着很年夜的分歧。

月尘颗粒年夜多在几十微米至几百微米之间，肉眼几近难以看到。它们固然很小，但陨石撞击发生的高温令这些颗粒玻璃化，粗拙、尖锐且带电。正因如斯，它们极易附着在探月装备和宇航员的太空服上，对装备运行和宇航员健康组成要挟。

“这些藐小且尖锐的月尘很轻易渗透机械装备的裂缝和轴承中其实不断积累，导致磨擦增添、磨损加重，致使装备运转坚苦”。王晓介绍，除会致使探月装备机械系统掉效，月尘还会激发热控系统掉效、带来光学概况污染，“热控系统在月球概况使命中相当主要，它首要用来调理航天器的温度以确保装备正常工作。月尘会笼盖航天器的概况，特别是散热器等要害部位，禁止有用的热量辐射，从而致使航天器过冷或过热，影响使命正常进行。”记者在采访月球成像手艺团队时对方也曾暗示，月尘也会附着在光学镜头或太阳能电池板上，致使成像质量降落，影响数据收集精度，反对电池板接收太阳光，激发电力供给不足。

由月尘激发一系列的机械、热控系统和光学概况掉效问题亟待解决。

不选“自动”选“被动”

“此刻的月尘防护首要有自动防尘和被动防尘两种。自动防尘手艺需要依靠外部能源，好比电力、机械力来削减或去除尘埃附着，凡是经由过程节制系统或机械装备进行操作。”王卫东介绍，“但月球上的能源资本很是有限，且贮存和生成能量的本钱极高，所以一般都不采取自动防尘手艺。”

与自动防尘手艺比拟，经由过程改变材料概况布局、选择具有自洁净特征的材料或是给装备涂覆一层具有防尘特征的材料等体例更合适月球情况，这类不依靠在外部能源的手艺被称为“被动防尘手艺”。

现在，被动防尘手艺已有多样化的选择。“今朝被动防尘首要有超疏水或超疏油涂层、自洁净材料和低黏附性概况材料等体例，都各有好坏，具体利用时可以按照情况、防尘需求等综合斟酌来进行选择。”

被动防尘手艺因其高效、持久靠得住且不需要能源撑持，成为应对月球尘埃挑战的主要路子。

为探月装备定制“防尘服”

铝作为一种金属材料，因其具有轻量、高强度、耐侵蚀等特点，在航空航天、机械制造、电子装备和探测器等范畴被普遍利用。

若何用如许的“老牌”材料为探月装备建造出最称身的“防尘服”？王卫东团队在铝基概况微布局上动起了脑子。

“我们要找到一种方式，让月尘不轻易附着在铝的概况。”对王晓而言，为探月装备定制“防尘服”是一项“手艺活儿”。“终究我们选定了纳秒激光刻蚀的方式，制备出了具有分歧布局参数的多条理微布局铝基概况。”

纳秒激光刻蚀是一种操纵超短脉冲激光的材料加工手艺，脉冲延续时候为纳秒级，便是一秒的十亿分之一。

“在加工进程中，我们会经由过程对激光参数的调理实现复杂的多条理微纳布局。”坐在纳秒激光刻蚀机旁的王晓介绍着定制“防尘服”的加工“工艺”：“一种是经由过程调剂激光能量密度，生成分歧深度和巨细的刻蚀坑洞或隆起。第二种是节制脉冲频率和延续时候，短脉冲时候和高频率有助在生成邃密的纳米级布局，而低频率和长脉冲则合适构成较年夜的微米级布局。第三种就是扫描的速度，较快的扫描速度生成浅层布局，而较慢的扫描速度有助在深层刻蚀。”

“微米级布局较为粗拙，可以削减尘埃附着面积。纳米级布局就比力邃密，可以或许加强疏水、疏尘和自洁净功能”，经由过程分歧参数激光构成的布局各不不异，是以也具有了分歧的感化，王晓介绍说：“在刻蚀进程中还可能引发概况的氧化反映，构成氧化铝层。这类概况化学转变有助在晋升防侵蚀性，并加强光催化或抗静电特征等功能。”

微布局的疏密水平也需要团队进行精准调控。

在不竭调剂线间距进行预尝试的进程中，王晓发现80μm（微米）线间距制备出的铝基概况与尘埃颗粒的接触面积最小，接触轮廓最短，防尘结果最好。

“按照原子力显微镜的微力成果显示，纳秒激光刻蚀铝基概况（线间距80μm）与摹拟月尘颗粒之间的粘附力仅为9.58nN（纳牛顿，人手指敲计较机键盘的力约为七亿纳牛顿），比原始铝片的20.22nN的粘附力降落了52%。数字图象方式统计成果也注解，在不异扬尘情况中，激光刻蚀概况（线间距80μm）比原始铝基概况的尘埃笼盖率降落了约85%，极年夜提高了铝基概况的防月尘粘附结果。”防尘测试成果有力地证实了纳秒激光快速、可控年夜面积制备铝基防尘概况手艺在月尘防护方面的出色机能。

“后续，我们将针对这一手艺展开年夜量的工程实验验证与评估，等候可以或许成为航天器概况防护的备选方案之一。”对这一手艺的利用前景，王晓布满等候，“在月球车概况、热控装备概况、机械布局的概况、太阳能电池板的概况，此手艺都有望利用来实现概况尘埃的低粘附结果，为人类在月球摸索的进程中供给更多的便当和平安保障。”

将来，也许会有更多的探月装备穿上这件定制版“防尘服”，摸索月球的奥秘。

相干论文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c08100

纳秒激光刻蚀制备铝基月尘防护概况流程和其防尘结果评价。

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王晓在尝试室做基在离心方式的防尘尝试测试。

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纳秒激光刻蚀铝基防尘概况扫描电镜（SEM）描摹。

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原位SEM测试和份子动力学摹拟：（a）原位电镜不雅测系统；（b）原始铝基概况与月尘颗粒探针的接触轮廓；（c）纳秒激光刻蚀铝基概况（Al-80 线间距80 μm）与月尘颗粒探针的接触轮廓；（d）原子力显微镜丈量的摹拟月尘颗粒与分歧概况之间的粘附力；（e）颗粒与概况动态接触的MD模子；（f）分歧概况与颗粒之间的粘附力成果（份子动力学摹拟）。

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防尘评价成果：（a）数字图象法统计成果；（b）翻转法统计成果；分歧概况翻转前（c）与翻转后（d）概况残留摹拟月尘颗粒比力。（图片均由课题组供给）

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