為探月設備定制“防塵服”

從嫦娥奔月到“嫦娥”探月，從對月吟誦“青天有月來幾時，我今停杯一問之”到月球探測器抵達月背并帶回月壤，中國航天技術的發展為我們逐步揭開了月球的神秘面紗。

但很少有人知道，在探索月球的進程中，看似微不足道的月塵卻成為阻礙人類探索月球的重要空間環境因素之一。月塵防護不僅對探月工程中探測設備的正常運行至關重要，也成為保護宇航員生命健康必不可少的工作。

近日，西安電子科技大學機電工程學院王衛東教授團隊針對月塵防護提出了新的應對技術，團隊成員、博士研究生王曉在ACS Applied Materials & Interfaces上發表成果論文。

“小”月塵也有“大”危險

月塵即月球上的塵埃，這些細小的硅酸鹽顆粒通常是由月球巖石在長期受到微隕石撞擊、太陽風和宇宙射線照射后形成的，它們與地球上的塵埃有著很大的不同。

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，但隕石撞擊產生的高溫令這些顆粒玻璃化，粗糙、鋒利且帶電。正因如此，它們極易附著在探月設備和宇航員的太空服上，對設備運行和宇航員健康構成威脅。

“這些細小且鋒利的月塵很容易滲入機械設備的縫隙和軸承中并不斷累積，致使摩擦增加、磨損加劇，導致設備運轉困難”。王曉介紹，除了會導致探月設備機械系統失效，月塵還會引發熱控系統失效、帶來光學表面污染，“熱控系統在月球表面任務中至關重要，它主要用來調節航天器的溫度以確保設備正常工作。月塵會覆蓋航天器的表面，尤其是散熱器等關鍵部位，阻止有效的熱量輻射，從而導致航天器過冷或過熱，影響任務正常進行。”記者在采訪月球成像技術團隊時對方也曾表示，月塵也會附著在光學鏡頭或太陽能電池板上，導致成像質量下降，影響數據采集精度，阻擋電池板吸收太陽光，引發電力供應不足。

由月塵引發一系列的機械、熱控系統及光學表面失效問題亟待解決。

不選“主動”選“被動”

“現在的月塵防護主要有主動防塵和被動防塵兩種。主動防塵技術需要依賴外部能源，比如電力、機械力來減少或去除塵埃附著，通常通過控制系統或機械設備進行操作。”王衛東介紹，“但月球上的能源資源非常有限，且儲存和生成能量的成本極高，所以一般都不采用主動防塵技術。”

與主動防塵技術相比，通過改變材料表面結構、選擇具備自清潔特性的材料或是給設備涂覆一層具有防塵特性的材料等方式更適合月球環境，這種不依賴于外部能源的技術被稱為“被動防塵技術”。

如今，被動防塵技術已有多樣化的選擇。“目前被動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，都各有優劣，具體應用時可以根據環境、防塵需求等綜合考慮來進行選擇。”

被動防塵技術因其高效、長期可靠且不需要能源支持，成為應對月球塵埃挑戰的重要途徑。

為探月設備定制“防塵服”

鋁作為一種金屬材料，因其具備輕量、高強度、耐腐蝕等特點，在航空航天、機械制造、電子設備和探測器等領域被廣泛應用。

如何用這樣的“老牌”材料為探月設備制作出最合身的“防塵服”？王衛東團隊在鋁基表面微結構上動起了腦筋。

“我們要找到一種方法，讓月塵不容易附著在鋁的表面。”對王曉而言，為探月設備定制“防塵服”是一項“技術活兒”。“最終我們選定了納秒激光刻蝕的方法，制備出了具有不同結構參數的多層次微結構鋁基表面。”

納秒激光刻蝕是一種利用超短脈沖激光的材料加工技術，脈沖持續時間為納秒級，即是一秒的十億分之一。

“在加工過程中，我們會通過對激光參數的調節實現復雜的多層次微納結構。”坐在納秒激光刻蝕機旁的王曉介紹著定制“防塵服”的加工“工藝”：“一種是通過調整激光能量密度，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時間，短脈沖時間和高頻率有助于生成精細的納米級結構，而低頻率和長脈沖則適合形成較大的微米級結構。第三種就是掃描的速度，較快的掃描速度生成淺層結構，而較慢的掃描速度有助于深層刻蝕。”

“微米級結構較為粗糙，可以減少塵埃附著面積。納米級結構就比較精細，能夠增強疏水、疏塵和自清潔功能”，通過不同參數激光形成的結構各不相同，因此也具備了不同的作用，王曉介紹說：“在刻蝕過程中還可能引起表面的氧化反應，形成氧化鋁層。這種表面化學變化有助于提升防腐蝕性，并增強光催化或抗靜電特性等功能。”

微結構的疏密程度也需要團隊進行精準調控。

在不斷調整線間距進行預實驗的過程中，王曉發現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。

“根據原子力顯微鏡的微力結果顯示，納秒激光刻蝕鋁基表面（線間距80μm）與模擬月塵顆粒之間的粘附力僅為9.58nN（納牛頓，人手指敲計算機鍵盤的力約為七億納牛頓），比原始鋁片的20.22nN的粘附力下降了52%。數字圖像方法統計結果也表明，在相同揚塵環境中，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粘附效果。”防塵測試結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在月塵防護方面的卓越性能。

“后續，我們將針對這一技術開展大量的工程試驗驗證與評估，期待能夠成為航天器表面防護的備選方案之一。”對于這一技術的應用前景，王曉充滿期待，“在月球車表面、熱控設備表面、機械結構的表面、太陽能電池板的表面，此技術都有望應用來實現表面塵埃的低粘附效果，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，或許會有更多的探月設備穿上這件定制版“防塵服”，探索月球的秘密。

相關論文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c08100

納秒激光刻蝕制備鋁基月塵防護表面流程及其防塵效果評價。

王曉在實驗室做基于離心方法的防塵實驗測試。

納秒激光刻蝕鋁基防塵表面掃描電鏡（SEM）形貌。

原位SEM測試及分子動力學模擬：（a）原位電鏡觀測系統；（b）原始鋁基表面與月塵顆粒探針的接觸輪廓；（c）納秒激光刻蝕鋁基表面（Al-80 線間距80 μm）與月塵顆粒探針的接觸輪廓；（d）原子力顯微鏡測量的模擬月塵顆粒與不同表面之間的粘附力；（e）顆粒與表面動態接觸的MD模型；（f）不同表面與顆粒之間的粘附力結果（分子動力學模擬）。

防塵評價結果：（a）數字圖像法統計結果；（b）翻轉法統計結果；不同表面翻轉前（c）與翻轉后（d）表面殘留模擬月塵顆粒比較。（圖片均由課題組提供）