Raumreinigung: Staub auf dem Mond entfernen

Als ich klein war, hatte mein Vater ein VAZ-2101 Auto. Es ist nicht das coolste Auto, aber es hat seine Arbeit richtig gemacht und sah immer toll aus. Der Grund dafür war, dass ihr Vater sie umwarb. Deshalb habe ich immer geglaubt, dass ein billiges oder altes Auto nur aufgrund seiner Sauberkeit viel besser aussehen kann als ein teures. Staub auf jeder Oberfläche verursacht nicht nur ästhetische Enttäuschungen im Stil von Prometheus (denn egal wie lange Sie ihn entfernen, dieser Vorgang muss immer wieder wiederholt werden), sondern wirkt sich auch negativ auf die Leistung einiger Objekte (z. B. Kühler in Computern) und die menschliche Gesundheit aus. stärkt nicht. Und wenn wir über Staub auf den Oberflächen in der Wohnung sprechen, dann gibt es genügend Mittel, um ihn zu beseitigen.Aber wenn dies die Oberfläche eines Erdsatelliten ist? Wissenschaftler der University of Colorado in Boulder (USA) haben eine Technik zum Entfernen von Staub von der Mondoberfläche entwickelt. Wer wird durch den Staub auf dem Mond behindert, wie haben Wissenschaftler beschlossen, ihn loszuwerden, und wie effektiv ist ihre Methode? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.

Grundlagen der Forschung

Die Mondoberfläche ist ein wahrer Albtraum für Allergiker und Sauberkeitsliebhaber. Abgesehen von allen Witzen ist die Oberfläche unseres Satelliten mit einer Schicht Regolith * bedeckt .

Regolith * - Restboden, der das Ergebnis der kosmischen Verwitterung von Gesteinen auf der Mondoberfläche ist (und nicht nur).

Regolithpartikel können sowohl durch menschliche Aktivitäten als auch aufgrund natürlicher Prozesse nach oben aufsteigen. Sie haften leicht auf jeder Oberfläche (Mondrover, Raumanzüge, optische Linsen usw.). Dies ist jedoch nicht das Schlimmste, da sie die Gegenstände beschädigen können, auf denen sie sich niederlassen. Beispielsweise leiden Raumanzüge unter der Abrasivität von Mondstaub; Laser-Retroreflektoren auf der Mondoberfläche zeigen eine Abnahme des Lichtreflexionsvermögens im Laufe der Zeit; Kühlkörper und Wärmesteuerflächen (TCS von Wärmesteuerflächen ) zeigen eine Verschlechterung ihrer Leistung; Mit Staub bedeckte Sonnenkollektoren sorgen für eine geringere Leistung usw. Und eine Person, die Mondstaub eingeatmet hat, kann mit äußerst ernsten Gesundheitsproblemen konfrontiert sein.





Dieses Video untersucht die Auswirkungen von Mondstaub auf den Apollo 17-Missionsteilnehmer Gene Cernan.



Alle oben genannten Gründe haben dazu geführt, dass Mondstaub als eines der wichtigsten technischen Probleme für zukünftige Untersuchungen der Mondoberfläche durch Menschen und Roboter angesehen wird.



In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Staubunterdrückungstechnologien untersucht und entwickelt. Diese Methoden können in vier Kategorien unterteilt werden (Verknüpfungen führen zu einigen Forschungsarbeiten in diesen Bereichen): hydraulisch, mechanisch, elektrodynamisch und passiv.



Zu den hydraulischen Techniken gehört die Verwendung von Flüssigkeits-, Schaum- und Druckgasstrahlen, um Staub von Oberflächen zu entfernen. ( Mondstaubabbaueffekte und Konzepte zur Entfernung / Vorbeugung )



Mechanische Methoden verwenden Bürsten (wie Nylonborsten) oder Vibrationsmechanismen, um Staub zu entfernen. Diese Technik wurde während des Apollo-Programms verwendet. ( Bewertung des Bürstens als Strategie zur Minderung des



Mondstaubs für thermische Kontrolloberflächen ) Der elektrodynamische Staubschutz gilt derzeit als eine der fortschrittlichsten Methoden zum Umgang mit Mondstaub. Die Grundidee besteht darin, eine oszillierende Hochspannung an Elektroden anzulegen, die unter der Oberfläche des Geräts eingebettet sind, um Staub zu entfernen. Es wird erwartet, dass diese Methode in der Mondumgebung effektiver ist, da der Mondstaub mit Sonnenwindplasma, Sonnenstrahlung und / oder triboelektrischen Effekten aufgeladen wird. (Leistung eines praktischen elektrostatischen Reinigungssystems zur Staubentfernung von optischen Mondelementen unter Verwendung einer elektrostatischen Wanderwelle )



Bei passiven Oberflächen werden Verfahren modifiziert (z. B. durch Ionenimplantation), um die Adhäsionskraft von Staub an der Oberfläche zu verringern. ( Bewertung der Oberflächenmodifizierung als Strategie zur Minderung des Mondstaubs für thermische Kontrolloberflächen )



Natürlich hat jede der oben genannten Methoden ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Wahl einer bestimmten Technik hängt von den Eigenschaften des Staubes selbst, den Eigenschaften der Oberflächen und den Verwendungsbedingungen der Technik ab.



Wissenschaftler glauben, dass die besten Ergebnisse durch Hybridisierung dieser Methoden erzielt werden können. In ihrer Forschung präsentieren sie eine neue Methode zur Verwendung eines Elektronenstrahls zum Laden von Staubpartikeln (<25 Mikrometer Durchmesser), um aufgrund elektrostatischer Kräfte von Oberflächen abzuprallen.

Vorbereitung für Experimente

Bild Nr. 1



Zunächst ist zu beachten, dass staubige Oberflächen ein einzigartiges Merkmal der Bildung von Mikrokavitäten zwischen Staubpartikeln aufweisen. Wie in Abbildung 1a zu sehenWenn Elektronen oder Photonen durch einen kleinen Spalt gelangen und auf die blaue Oberfläche der Staubpartikel unter der Oberfläche der oberen Schicht treffen, werden Sekundärelektronen oder Photoelektronen emittiert. Einige dieser emittierten Elektronen werden in der Mikrokavität absorbiert und belasten die umgebenden Staubpartikel negativ (rote Bereiche im Diagramm). Aufgrund seiner geringen Größe (in der Größenordnung von Mikrometern) wird über dem Hohlraum ein extrem großes elektrisches Feld erzeugt, das zur Akkumulation signifikanter negativer Ladungen auf den umgebenden Partikeln führt. Infolgedessen ist die Abstoßungskraft zwischen diesen negativ geladenen Teilchen groß genug, um die Kohäsion und Schwerkraft von Teilchen zu Teilchen oder von Teilchen zu Oberfläche zu übertreffen. Folglich werden Staubpartikel freigesetzt. Praktische Experimente haben gezeigtdass gleich große Staubpartikel mit einem Durchmesser von bis zu 60 µm oder Aggregate mit einem Durchmesser von bis zu 140 µm unter dem Einfluss eines Elektronenstrahls von 120 eV von Oberflächen freigesetzt werden können.



Basierend auf diesen Daten beschlossen die Wissenschaftler, eine Reihe von Experimenten durchzuführen, um die optimalen Eigenschaften des Elektronenstrahls zu bestimmen und Staub effektiv von Oberflächen zu entfernen.



Die Versuche wurden in einer Vakuumkammer mit 50 cm Durchmesser und 28 cm Höhe durchgeführt ( 1b ). Der JSC-1A- Mondpartikelsimulator ( p ~ 2,9 × 10 ³ kg / m ³ ; Durchmesser <25 & mgr; m ) wurde auf eine Testprobe (2,5 × 5 cm) aufgebracht, die an einem Substrat befestigt war. Das Substrat wurde an einer Welle befestigt, die so gedreht war, dass die Oberfläche des Substrats in einem Winkel von 45 ° zur horizontalen Linie stand.



Die gesamte Oberfläche der Probe wurde ungefähr gleichmäßig durch einen Elektronenstrahl beleuchtet, der von einem heißen Filament (Filament) mit einer negativen Vorspannung emittiert wurde, die im oberen Teil der Kammer in einer Höhe von etwa 20 cm über der Oberfläche der Probe installiert war. Unter Vakuumbedingungen erzeugen die emittierten Elektronen Raumladungseffekte, die den vom Filament emittierten Strahlstrom begrenzen. Um höhere Strahlströme zu erzielen, wurde ein Plasma niedriger Dichte erzeugt, indem Niederdruck-Argon (~ 0,2 mTorr) zugeführt wurde, das durch einen Elektronenstrahl ionisiert wurde.



Die Strahlstromdichte auf der Probenoberfläche wurde mit einer Langmuir-Scheibensonde gemessen. Der von der Oberfläche freigesetzte Staub wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (2000 Bilder pro Sekunde) aufgenommen.





Bild Nr. 2



Bild 2 (links) zeigt, dass ein großer Fluss von Staubpartikeln durch Belichtung mit einem Elektronenstrahl (230 eV; 1,5 μA / cm ² ) von der Glasoberfläche abprallt .



Eine Videokamera (aber keine Hochgeschwindigkeitskamera) wurde verwendet, um die anfängliche Sauberkeit der Oberfläche und ihre Änderungen während des Staubsammelprozesses aufzuzeichnen. Die Gammakorrektur der Kamera wurde durch Kalibrieren gegen die aus den Bildern erhaltene Helligkeit auf 1 gesetzt. Bild 2 (rechts) zeigt Bilder der Glasoberfläche vor und nach dem Freigabeprozess.



Die Oberflächenreinheit bestimmt, wie staubig die Oberfläche des Prüflings ist (je geringer die Sauberkeit, desto höher die Staubigkeit). In diesen Experimenten wurde die Reinheit (C) gemäß der Formel bestimmt:

C = (L _s - L _d ) / (L _c - L _d )

wobei L _s - durchschnittliche Helligkeit der Pixel der gesamten Oberfläche der Probe; L _c - durchschnittliche Helligkeit der Pixel einer sauberen Oberfläche (ohne Staub); L _d - durchschnittliche Helligkeit von Pixeln auf einer vollständig mit Staub bedeckten Oberfläche.



Um eine kontrollierte und dauerhafte Staubablagerung auf der Testprobe zu erreichen, musste das folgende dreistufige Verfahren durchgeführt werden:

• Laden Sie den Mondpartikelsimulator auf ein Sieb (Maschenweite: 25 Mikrometer).
• klopfen Sie auf das Sieb, so dass Partikel der erforderlichen Größe auf die Probe fallen und eine gleichmäßige Schicht bilden;
• Zeichnen Sie Bilder auf und analysieren Sie die Helligkeit der Probenoberfläche, um die anfängliche Oberflächenreinheit unter Verwendung der obigen Gleichung zu bestimmen.

Es ist wichtig zu beachten, dass Staubpartikel nicht immer eine gleichmäßige Schicht auf der Probenoberfläche bilden. In einigen Bereichen bilden sich aufgrund der Haftung zwischen den Partikeln mehrere Staubschichten. Somit hängt die Oberflächenbeschaffenheit auch von der Dicke der Staubschicht ab.



Nachdem der Versuchsaufbau fertig war, wurden mehrere Tests durchgeführt, um die optimalen Parameter der Stromdichte und Energie des Elektronenstrahls zu bestimmen. Die Reinigungseffizienz wurde an verschiedenen Oberflächenmaterialien und mit unterschiedlicher Dicke der anfänglichen Staubschicht getestet.

Experimentelle Ergebnisse

Der erste Schritt bestand darin, die Stromdichte und die Strahlenergie einer Raumanzugprobe zu überprüfen, die mit JSC-1A-Staub mit einer durchschnittlichen Schichtdicke (C = 37,5%) bedeckt war. Die resultierende Strahlstromdichte variierte von 0,3 bis 6,1 mA / cm ² . Die Strahlenergie wurde auf ~ 230 eV eingestellt, was für die meisten Materialien eine relativ hohe Sekundärelektronenemission ergibt.





Bild 3



Grafik 3a zeigt den Reinigungsprozess als Funktion der Zeit. Die maximale Reinheit erreichte für alle Strahlstromdichten ~ 75%. Die Zeitkonstante (definiert als die Zeit, in der die Reinheit zwischen dem Anfangs- und dem Endwert auf 1-1 / e ≤ 63,2% ansteigt) des Reinigungsprozesses nimmt mit zunehmender Stromdichte ab ( 3b). Die Zeitkonstante neigt dazu, bei einer Stromdichte von 1,5 bis 3 mA / cm ² ein Plateau von ~ 100 Sekunden zu erreichen .



Die Abnahmerate der Zeitkonstante zum Reinigen von Staub entspricht in etwa der Anstiegsrate der Stromdichte des Elektronenstrahls, da die Ladezeit der Staubpartikel umgekehrt proportional zur Stromdichte ist. Eine höhere Stromdichte führt zu kürzeren Ladezeiten und damit zu einer schnelleren Staubsammlung. Wenn der Ladevorgang schneller ist als die Bewegung des Staubes, wird die Entladungsrate durch die Bewegung des Staubes begrenzt und erreicht ein Plateau.



Die Energieabhängigkeit des Strahls wurde im Bereich von 60 bis 400 eV überprüft. Es wurde gefunden, dass die Schwellenenergie zum Starten des Reinigungsprozesses ~ 80 eV beträgt, was die minimale Energie einfallender Elektronen ist, um genügend Sekundärelektronen zu erzeugen, um einen signifikanten Mikrokavitätsladungseffekt zu erzeugen.





Bild 4 Die



obige Grafik zeigt Reinigungsprozesse mit Strahlenergien von 80, 150 und 230 eV. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, nimmt der Reinheitsgrad mit zunehmender Strahlenergie zu. Bei 400 eV wurde der Staub jedoch praktisch nicht entfernt. Dies liegt an der Tatsache, dass die Ausbeute an Sekundärelektronen auf einen Maximalwert ansteigt, dann aber mit zunehmender Energie der Primärelektronen abnimmt. Daraus folgt, dass ein solches Maximum im Fall eines Mondstaubsimulators bei 230 eV erreicht wird.



Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die optimalen Parameter des Systems für eine bessere Staubentfernung eine Energie von 230 eV und eine minimale Stromdichte von 1,5 bis 3 mA / cm ^{2 sind} .





Bild Nr. 5



Um die Richtigkeit der ausgewählten Parameter (230 eV und 1,5 mA / cm ² ) zu bestätigen, wurden Tests unter Verwendung einer Probe eines Raumanzugs und einer Probe von einer Glasplatte durchgeführt. Wie Sie der obigen Grafik entnehmen können, folgt die Änderung der Reinheit beider Materialien demselben Trend.



Neben den Parametern des Elektronenstrahls selbst musste auch der Einfluss der Dicke der Staubschicht auf den Betrieb des Systems analysiert werden. Während der Tests betrugen die Schichtdicken in Bezug auf den Reinheitsgrad: 5%, 40% und 65%.





Bild Nr. 6



Der Reinheitsgrad hängt eindeutig von der Anfangsdicke der Staubschicht ab: Je dünner die Schicht, desto höher ist die Reinheit (bis zu ~ 85%). Eine mögliche Erklärung ist, dass in einer dickeren Schicht die Staubpartikel unter der obersten Schicht aufgrund der Schwerkraft kompakter sind, was zu größeren Kohäsionskräften zwischen den Partikeln führt. Auf der Mondoberfläche wird dieser Effekt laut Wissenschaftlern jedoch aufgrund der verringerten Schwerkraft viel schwächer sein als unter Laborbedingungen auf der Erde. Sie können auch ein Hybrid-Staubentfernungsverfahren verwenden, d.h. Entfernen Sie die dicke Schicht mit einem Pinsel oder Vibrationen und entfernen Sie die verbleibende dünne Schicht mit der Elektronenstrahlmethode.



Zusammengenommen zeigen die obigen Ergebnisse deutlich, dass mit einer mittleren bis dünnen Staubschicht bedeckte Oberflächen in relativ kurzer Zeit (weniger als 1 Minute) mit einem Elektronenstrahl erfolgreich gereinigt werden können (bis zu 75-85% Reinheit). Es ist auch erwähnenswert, dass die Ansammlung von Ladung auf Oberflächen, die dem Elektronenstrahl ausgesetzt waren, bei keinem der durchgeführten Tests zu einer elektrostatischen Entladung führte.



Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog

Niemand kann mit Sicherheit sagen, wann der Prozess der Besiedlung des Mondes beginnen wird. Aber Wissenschaftler geben ihr Bestes, um alle möglichen Probleme zu lösen, mit denen zukünftige Kolonisten konfrontiert sein könnten.



In dieser Arbeit wurde das Thema Mondstaub betrachtet, der alles, was ihr in die Augen fällt, dauerhaft klebt und beschädigt (im übertragenen Sinne natürlich). Die Reinigungsmethode ist recht einfach und besteht in der Verwendung eines Elektronenstrahls, der Staubpartikel auflädt, was zu deren Trennung voneinander und von der Oberfläche führt.



Laut den Autoren dieser Entwicklung ist ihre Reinigungsoption viel besser als die, die derzeit bei der NASA aktiv entwickelt wird (nämlich die Einführung eines Netzwerks spezieller Elektroden in Raumanzüge), zumindest hinsichtlich des Preises und der einfachen Herstellung.



Vielleicht betreten die Mond-Siedler eines Tages nach einem langen Tag auf den Mondbetten das Gelände durch eine spezielle Luftschleuse, in der eine Elektronenstrahl- "Dusche" installiert wird, die sie von Staub befreit. Die Wissenschaftler selbst wollen hier nicht aufhören, da der im Verlauf der Versuche erhaltene Reinheitsgrad nur 85% betrug. Um eine höhere Leistung zu erzielen, muss das System verbessert werden, damit es mit der Reststaubschicht aus extrem kleinen Partikeln fertig wird. Die Wissenschaftler beabsichtigen auch, die Möglichkeit der Verwendung von kurzwelliger ultravioletter Strahlung in ihrer Entwicklung in Betracht zu ziehen.





Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein schönes Wochenende, Jungs! :) :)

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