Космический субботник: уборка пыли на Луне04.09.2020 10:48

Когда я был маленький, у моего отца была машина ВАЗ-2101. Это далеко не самая «крутая тачка», но она исправно выполняла свои функции и всегда отлично выглядела. Причиной тому было то, что отец за ней ухаживал. Посему я всегда считал, что дешевый или старенький автомобиль может выглядеть намного лучше дорогого только за счет опрятности. Пыль на любой поверхности вызывает не только эстетическое разочарование в стиле Прометея (ибо сколько ты ее не убираешь, этот процесс придеться повторять снова и снова), но и негативно влияет на работоспособность некоторых предметов (кулеры в компьютерах, например), да и здоровье человека она не укрепляет. И если мы говорим про пыль на поверхностях в квартире, то средств для ее ликвидации полно. Но если это поверхность спутника Земли? Ученые из университета Колорадо в Боулдере (США) разработали методику уборки пыли с поверхности Луны. Кому мешает пыль на Луне, как от нее решили избавляться ученые и насколько эффективен их метод? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Поверхность Луны это настоящий кошмар для аллергиков и любителей чистоты. Шутки в сторону, поверхность нашего спутника покрыта слоем реголита*.

Реголит* — остаточный грунт, который является результатом космического выветривания породы на поверхности Луны (и не только).

Частицы реголита могут подниматься вверх как от деятельности человека, так и ввиду природных процессов. Они легко прилипают к любым поверхностям (луноходы, скафандры, оптические линзы и т.д.). Но это не самое плохое, ибо они могут повреждать предметы, на которые оседают. К примеру, скафандры страдают от абразивности лунной пыли; лазерные ретрорефлекторы на лунной поверхности со временем показывают снижение коэффициента отражения света; радиаторы и терморегулирующие поверхности (TCS от thermal control surfaces) демонстрируют ухудшение своих характеристик; солнечные панели, покрытые пылью, дают меньшую выходную мощность и т.д. А человек, вдохнувший лунную пыль, может столкнуться с крайне серьезными проблемами со здоровьем.

В данном видео рассматривается влияние лунной пыли на скафандр участника миссии Apollo 17 Джина Сернана.

Все вышеописанные причины и привели к тому, что лунная пыль считается одной из основных технических проблем для будущих исследований поверхности Луны людьми и роботами.

За последние десятилетия было изучено и разработано несколько технологий пылеподавления. Эти методы можно разделить на четыре категории (ссылки ведут на некоторые из исследований в данных областях): гидравлические, механические, электродинамические и пассивные.

Гидравлические методы включают использование струй жидкости, пены и сжатых газов для удаления пыли с поверхностей. (Lunar Dust Degradation Effects and Removal/Prevention Concepts)

Механические методы используют щетки (например, нейлоновые щетинки) или вибрационные механизмы для очистки пыли. Такая методика использовалась во время программы Аполлон. (Evaluation of Brushing as a Lunar Dust Mitigation Strategy for Thermal Control Surfaces)

Электродинамический пылезащитный экран на данный момент считается одним из самых развитых методов борьбы с лунной пылью. Основная идея состоит в том, чтобы подавать колеблющееся высокое напряжение на электроды, встроенные под поверхность оборудования, для удаления пыли. Ожидается, что этот метод будет более эффективным именно в лунной среде, поскольку лунная пыль заряжается плазмой солнечного ветра, солнечным излучением и / или трибоэлектрическими эффектами. (Practical performance of an electrostatic cleaning system for removal oflunar dust from optical elements utilizing electrostatic traveling wave)

В пассивных методах поверхности модифицируются (например, посредством ионной имплантации) для уменьшения силы сцепления пыли с данной поверхностью. (Evaluation of Surface Modification as a Lunar Dust Mitigation Strategy for Thermal Control Surfaces)

Естественно, каждый из вышеописанных методов обладает своими достоинствами и недостатками. Выбор конкретной методики зависит от характеристик самой пыли, свойств поверхностей и условий применения этого метода.

Ученые считают, что достичь лучшего результата можно за счет гибридизации этих методов. В своем исследовании они представляют новый метод использования электронного луча для зарядки частиц пыли (< 25 мкм в диаметре), чтобы заставить их отскакивать от поверхностей в результате электростатических сил.

Подготовка к экспериментам

Изображение №1

Прежде всего стоит отметить, что запыленные поверхности обладают уникальной особенностью образования микрополостей между частицами пыли. Как видно на схеме 1а, когда электроны или фотоны проходят через небольшой зазор и попадают в синий участок поверхности частиц пыли под поверхностью верхнего слоя, происходит испускание вторичных электронов или фотоэлектронов. Часть этих испускаемых электронов поглощается внутри микрополости и накладывает отрицательные заряды на окружающие частицы пыли (красные участки на схеме). Чрезвычайно большое электрическое поле образуется поперек полости из-за ее небольшого размера (порядка микрон), что приводит к накоплению значительных отрицательных зарядов на окружающих частицах. В результате сила отталкивания между этими отрицательно заряженными частицами достаточно велика, чтобы превзойти силу сцепление частица-частица или частица-поверхность и силу тяжести. Следовательно, происходит высвобождение частиц пыли. Практические опыты показали, что частицы пыли одного размера диаметром до 60 мкм или агрегаты диаметром до 140 мкм могут высвобождаться с поверхностей под воздействием электронного пучка 120 эВ.

Основываясь на этих данных, ученые решили провести серию опытов по определению оптимальных характеристик электронного пучка для эффективного удаления пыли с поверхностей.

Опыты проводились в вакуумной камере диаметром 50 см и высотой 28 см (1b). Имитатор лунных частиц JSC-1А (p ~ 2.9×103 кг/м³; диаметр < 25 мкм) наносился на тестовый образец (2.5 х 5 см), прикрепленный к подложке. Подложка была прикреплена к валу, повернутому так, чтобы поверхность подложки находилась под углом 45 ° относительно горизонтальной линии.

Вся поверхность образца была приблизительно равномерно освещена электронным пучком, испускаемым горячим филаментом (нитью) с отрицательным смещением, установленным в верхней части камеры на высоте около 20 см над поверхностью образца. В условиях вакуума испускаемые электроны создают эффекты пространственного заряда, которые ограничивают ток пучка, испускаемый из филамента. Для достижения более высоких токов пучка была создана плазма с низкой плотностью путем подачи аргона с низким давлением (~ 0.2 мТорр), ионизированного электронным пучком.

Плотность тока пучка на поверхности образца измерялась дисковым зондом Ленгмюра. А высвобожденная с поверхности пыль фиксировалась высокоскоростной камерой (2000 кадров в секунду).

Изображение №2

На изображении №2 (слева) показано, что большой поток пылевых частиц отскакивает от поверхности стекла в результате воздействия электронного пучка (230 эВ; 1.5 мкА/см²).

Для записи исходной чистоты поверхности и ее изменений в процессе пылеулавливания использовалась видеокамера (но не скоростная). Гамма-коррекция камеры была установлена равной 1, путем калибровки по яркости, полученной из изображений. На изображении №2 (справа) показаны снимки поверхности стекла до и после процесса высвобождения.

Чистота поверхности определяет степень запыленности поверхности испытательного образца (чем ниже чистота, тем выше степень запыленности). В данных опытах чистота © определялась в соответствии с формулой:

C = (Ls — Ld) / (Lc — Ld)

где Ls — средняя яркость пикселей всей поверхности образца; Lc — средняя яркость пикселей чистой поверхности (без пыли); Ld — средняя яркость пикселей на поверхности, полностью покрытой пылью.

Для достижения контролируемого и постоянного осаждения пыли на исследуемом образце, необходимо было выполнить следующую процедуру из трех этапов:

• загрузить имитатор лунных частиц на сито (размер ячейки: 25 мкм);
• постучать по ситу, чтобы частицы необходимого размера упали на образец и образовали равномерный слой;
• записать изображения и проанализировать яркость поверхности образца, чтобы определить начальную чистоту поверхности, используя вышеуказанное уравнение;

Важно отметить, что частицы пыли не всегда образуют равномерный слой на поверхности образца. В некоторых участках из-за сцепления между частицами образуется несколько слоев пыли. Таким образом, чистота поверхности также зависит от толщины слоя пыли.

После того как экспериментальная установка была готова, было проведено несколько тестов по определению оптимальных параметров плотности тока и энергии электронного пучка. Эффективность очистки проверялась на различных материалах поверхности и с разной толщиной начального слоя пыли.

Результаты экспериментов

Первым делом было решено проверить плотность тока и энергию пучка на образце скафандра, покрытом пылью JSC-1А со средней толщиной слоя (C = 37.5%). Результирующая плотность тока пучка варьировалась от 0.3 до 6.1 мА/см². Энергия пучка была установлена ​​на уровне ~ 230 эВ, что дает относительно высокую вторичную электронную эмиссию для большинства материалов.

Изображение №3

На графике 3а показан процесс очистки как функция времени. Максимальная чистота достигала ~75% для всех плотностей тока пучка. Постоянная времени (определяемая как время повышения чистоты до уровня 1–1/e ≈ 63.2% между начальным и конечным значениями) процесса очистки уменьшается по мере увеличения плотности тока (3b). Постоянная времени имеет тенденцию к достижению плато ~100 секунд при плотности тока от 1.5 до 3 мА/см².

Скорость уменьшения постоянной времени для очистки от пыли приблизительно соответствует скорости увеличения плотности тока электронного пучка, поскольку время зарядки пылевых частиц обратно пропорционально плотности тока. Более высокая плотность тока приводит к сокращению времени зарядки и, следовательно, более быстрому пылеулавливанию. Когда процесс зарядки идет быстрее, чем движение пыли, скорость выброса ограничивается движением пыли и достигает плато.

Энергетическая зависимость пучка проверялась в диапазоне от 60 до 400 эВ. Было обнаружено, что пороговая энергия для включения процесса очистки составляет ~ 80 эВ, что является минимальной энергией падающих электронов для генерации достаточного количества вторичных электронов для создания значительного эффекта зарядки микрополости.

Изображение №4

График выше демонстрирует процессы очистки с энергией пучка 80, 150 и 230 эВ. Как видно с графика, степень чистоты увеличивается при увеличении энергии пучка. Однако при 400 эВ пыль практически не удалялась. Связано это с тем, что выход вторичных электронов возрастает до максимального значения, но затем падает с увеличением энергии первичных электронов. Из этого следует, что таковой максимум в случае с имитатором лунной пыли достигается при 230 эВ.

В результате было установлено, что оптимальными показателями системы для лучшего удаления пыли является энергия 230 эВ и минимальная плотность тока от 1.5 до 3 мА/см².

Изображение №5

Для подтверждения верности подобранных параметров (230 эВ и 1.5 мА/см²) были проведены тесты с участием образца скафандра и образца из стеклянной пластины. Как видно из графика выше, изменение степени чистоты обоих материалов соответствует одной и той же тенденции.

Помимо параметров самого электронного пучка, также необходимо было проанализировать влияние толщины слоя пыли на работу системы. Во время тестов толщина слоя с точки зрения уровня чистоты составляла: 5%, 40% и 65%.

Изображение №6

Степень чистоты однозначно зависит от начальной толщины слоя пыли: чем тоньше слой, тем выше будет чистота (до ~ 85%). Возможное объяснение состоит в том, что в более толстом слое частицы пыли ниже самого верхнего слоя более компактны из-за силы тяжести, что приводит к большим силам сцепления между частицами. Однако на поверхности Луны, по мнению ученых, этот эффект будет значительно слабее, чем в условиях лаборатории на Земле, ввиду сниженной гравитации. Также можно использовать гибридный метод удаления пыли, т.е. толстый слой удалить посредством щетки или вибраций, а оставшийся тонкий слой удалять уже с помощью электронно-лучевого метода.

Совокупность вышеописанных результатов четко говорит о том, что поверхности, покрытые средним или тонким слоем пыли, могут быль успешно очищены (до уровня чистоты 75–85%) посредством электронного луча за относительно короткий промежуток времени (меньше 1 минуты). Также стоит отметить, что накопление заряда на поверхностях, подверженных воздействию электронного луча, не привело к возникновению электростатического разряда ни в одном из проведенных тестов.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Когда начнется процесс колонизации Луны, пока точно сказать никто не может. Но ученые во всю занимаются решением всевозможных проблем, с которыми могли бы столкнуться будущие колонисты.

В данном труде был рассмотрен вопрос лунной пыли, настойчиво прилипающей и повреждающей все, что попадется ей на глаза (фигурально выражаясь, конечно). Метод очистки достаточно прост и заключается в использовании электронного луча, заряжающего частицы пыли, что приводит к их отделению друг от друга и от поверхности.

По мнению авторов данной разработки, их вариант очистки намного лучше того, что на данный момент активно разрабатывается в NASA (а именно внедрение в скафандры сети из специальных электродов), как минимум по цене и простоте изготовления.

Возможно, когда-нибудь лунные поселенцы после долгого дня на лунных грядках будут заходить в помещения через специальный шлюз, в котором будет установлен электронно-лучевой «душ», очищающий их от пыли. Сами же ученые не намерены останавливаться на достигнутом, ибо степень чистоты, полученная в ходе опытов, составила всего лишь 85%. Для достижения более высоких показателей необходимо усовершенствовать систему так, чтобы она могла справляться с остаточным слоем пыли, состоящем из крайне малых частиц. Также ученые намерены рассмотреть возможность применения в их разработке коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

© Habrahabr.ru