王曉在實(shí)驗(yàn)室做基于離心方法的防塵服防塵測(cè)試。

■本報(bào)記者 嚴(yán)濤 通訊員 王格

從嫦娥奔月到“嫦娥”探月，為探從對(duì)月吟誦“青天有月來幾時(shí)，月設(shè)我今停杯一問之”到月球探測(cè)器抵達(dá)月背并帶回月壤，備定中國(guó)航天技術(shù)的制合發(fā)展為人類逐步揭開了月球的神秘面紗。

然而，防塵服鮮少有人知道，為探在探索月球的月設(shè)進(jìn)程中，看似微不足道的備定月塵卻成為阻礙人類探索月球的重要空間環(huán)境因素之一。月塵防護(hù)不僅對(duì)探月工程中探測(cè)設(shè)備的制合正常運(yùn)行至關(guān)重要，也成為保護(hù)宇航員生命健康必不可少的防塵服工作。

近日，為探西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授王衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)針對(duì)月塵防護(hù)提出了新的月設(shè)應(yīng)對(duì)技術(shù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于 《美國(guó)化學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料與界面》。備定

“小”月塵也有“大”危險(xiǎn)

月塵即月球上的制合塵埃。這些細(xì)小的硅酸鹽顆粒通常是由月球巖石在長(zhǎng)期受到微隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線照射后形成的，它們與地球上的塵埃有著很大不同。

研究發(fā)現(xiàn)，月塵顆粒大多在幾十微米至幾百微米之間，肉眼幾乎難以看到。它們雖然很小，但隕石撞擊產(chǎn)生的高溫令這些顆粒玻璃化，粗糙、鋒利且?guī)щ?。因此，它們極易附著在探月設(shè)備和宇航員的太空服上，對(duì)設(shè)備運(yùn)行和宇航員健康構(gòu)成威脅。

“這些細(xì)小且鋒利的月塵很容易滲入機(jī)械設(shè)備的縫隙和軸承中并不斷累積，致使摩擦增加、磨損加劇，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)困難?！闭撐牡谝蛔髡?、王衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)的博士研究生王曉介紹，除了會(huì)導(dǎo)致探月設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)失效，月塵還會(huì)致使熱控系統(tǒng)失效、帶來光學(xué)表面污染。熱控系統(tǒng)在月球表面任務(wù)中至關(guān)重要，它主要用來調(diào)節(jié)航天器的溫度以確保設(shè)備正常工作。月塵會(huì)覆蓋航天器的表面，尤其是散熱器等關(guān)鍵部位，阻止有效的熱量輻射，從而導(dǎo)致航天器過冷或過熱，影響任務(wù)正常進(jìn)行。

記者在采訪月球成像技術(shù)團(tuán)隊(duì)時(shí)，對(duì)方曾表示，月塵會(huì)附著在光學(xué)鏡頭或太陽(yáng)能電池板上，導(dǎo)致成像質(zhì)量下降，影響數(shù)據(jù)采集精度，阻擋電池板吸收太陽(yáng)光，造成電力供應(yīng)不足。

由此可見，月塵引發(fā)的一系列機(jī)械、熱控系統(tǒng)及光學(xué)表面失效問題亟待解決。

不選“主動(dòng)”選“被動(dòng)”

“現(xiàn)在的月塵防護(hù)主要有主動(dòng)防塵和被動(dòng)防塵兩種。主動(dòng)防塵技術(shù)需要依賴外部能源，比如電力、機(jī)械力來減少或去除塵埃附著，通常通過控制系統(tǒng)或機(jī)械設(shè)備進(jìn)行操作?！蓖跣l(wèi)東指出，“但月球上的能源資源非常有限，且儲(chǔ)存和生成能量的成本極高，所以一般不采用主動(dòng)防塵技術(shù)?！?/p>

與主動(dòng)防塵技術(shù)相比，采用改變材料表面結(jié)構(gòu)、選擇具備自清潔特性的材料或是給設(shè)備涂覆一層具有防塵特性的材料等方式更適合月球環(huán)境。這種不依賴于外部能源的技術(shù)被稱為“被動(dòng)防塵技術(shù)”。

如今，被動(dòng)防塵技術(shù)已有多樣化的選擇。據(jù)了解，目前被動(dòng)防塵主要有超疏水或超疏油涂層、自清潔材料和低黏附性表面材料等方式，各有優(yōu)劣，具體應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)環(huán)境、防塵需求等綜合考慮進(jìn)行選擇。

被動(dòng)防塵技術(shù)因其高效、長(zhǎng)期可靠且不需要能源支持，成為應(yīng)對(duì)月球塵埃挑戰(zhàn)的重要途徑。

用“老牌”材料量體裁衣

鋁作為一種金屬材料，因具備輕量、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械制造、電子設(shè)備和探測(cè)器等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

如何用這樣的“老牌”材料量體裁衣，為探月設(shè)備制作出最合身的“防塵服”？王衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)在鋁基表面微結(jié)構(gòu)上動(dòng)起了腦筋。

“我們要找到一種方法，讓月塵不容易附著在鋁的表面?！睂?duì)王曉而言，為探月設(shè)備定制“防塵服”是一項(xiàng)技術(shù)活兒。“最終我們選定了納秒激光刻蝕的方法，制備出具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多層次微結(jié)構(gòu)鋁基表面。”

納秒激光刻蝕是一種利用超短脈沖激光的材料加工技術(shù)，脈沖持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)，即一秒的十億分之一。

“在加工過程中，我們通過對(duì)激光參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多層次微納結(jié)構(gòu)?！弊诩{秒激光刻蝕機(jī)旁的王曉介紹著定制“防塵服”的加工工藝，“第一種是通過調(diào)整激光能量密度，生成不同深度和大小的刻蝕坑洞或隆起；第二種是控制脈沖頻率及持續(xù)時(shí)間，短脈沖時(shí)間和高頻率有助于生成精細(xì)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，而低頻率和長(zhǎng)脈沖則適合形成較大的微米級(jí)結(jié)構(gòu)；第三種是掃描的速度，較快的掃描速度生成淺層結(jié)構(gòu)，而較慢的掃描速度有助于深層刻蝕?！?/p>

“微米級(jí)結(jié)構(gòu)較為粗糙，可以減少塵埃附著面積。納米級(jí)結(jié)構(gòu)比較精細(xì)，能夠增強(qiáng)疏水、疏塵和自清潔功能，通過不同參數(shù)激光形成的結(jié)構(gòu)各不相同，因此具備了不同的作用?！蓖鯐越榻B說，“在刻蝕過程中還可能引起表面的氧化反應(yīng)，形成氧化鋁層。這種表面化學(xué)變化有助于提升防腐蝕性，并增強(qiáng)光催化或抗靜電特性等功能?！?/p>

微結(jié)構(gòu)的疏密程度也需要團(tuán)隊(duì)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

在不斷調(diào)整線間距進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)的過程中，王曉發(fā)現(xiàn)80μm（微米）線間距制備出的鋁基表面與灰塵顆粒的接觸面積最小，接觸輪廓最短，防塵效果最佳。

研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)原子力顯微鏡的微力結(jié)果顯示，納秒激光刻蝕鋁基表面（線間距80μm）與模擬月塵顆粒之間的黏附力僅為9.58nN（納牛頓，人手指敲計(jì)算機(jī)鍵盤的力約為7億納牛頓），比原始鋁片的20.22nN的黏附力下降了52%。數(shù)字圖像方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明，在相同揚(yáng)塵環(huán)境中，激光刻蝕表面（線間距80μm）比原始鋁基表面的塵埃覆蓋率下降了約85%，極大提高了鋁基表面的防月塵黏附效果。防塵測(cè)試結(jié)果有力地證明了納秒激光快速、可控大面積制備鋁基防塵表面技術(shù)在月塵防護(hù)方面的卓越性能。

“后續(xù)，我們將針對(duì)這一技術(shù)開展大量的工程試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估，希望能夠成為航天器表面防護(hù)的備選方案之一?！睂?duì)于這一技術(shù)的應(yīng)用前景，王曉充滿期待地說，“在月球車表面、熱控設(shè)備表面、機(jī)械結(jié)構(gòu)表面、太陽(yáng)能電池板表面，都有望應(yīng)用此技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)表面塵埃的低黏附效果，為人類在月球探索的過程中提供更多的便利和安全保障。”

未來，或許會(huì)有更多的探月設(shè)備穿上這件定制版“防塵服”，探索月球的秘密。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c08100