给阿波罗17号“下马威”的小小尘埃是什么东西

作者:赵汉斌来源:科技日报发布时间:2019-11-21

研究应对月尘的方案,对下一步太阳系内类地行星的探索具有极大的指导意义。

自从1972年底阿波罗17号任务完成以后,人类就没有再次踏足月球,但人类探索月球的脚步却从未停止。

数十年来,中国、美国、印度、日本、俄罗斯、以色列以及欧洲航天局等国家和组织都实施了各种月球探索工程,其中中国的嫦娥4号着陆至月球背面南极-艾特肯盆地是最新的一个重要进展。在未来计划中,中国、日本、美国、印度、欧洲航天局以及俄罗斯等都雄心勃勃地要把自己的宇航员重新送上月球,并尝试建立月球基地,进行长期的月面科学探索和考察。

就人类现有的科学技术而言,重返月球已经不算太难,但是一块新的绊脚石出现在了人类面前,成为重返月球的一个新障碍,它就是月尘(moondust)!

小小尘埃给阿波罗17号来个“下马威”

当年,阿波罗计划在月面登陆的时候,月球上飞扬的尘埃颗粒物给着陆的宇航器以及在月球上工作的科学仪器带来了极大的麻烦。小小尘土,竟使得宇航员出舱活动时间推迟;而粗糙的月尘把在月面上行走的宇航员的宇航服靴子硬生生磨掉一层。月尘还导致阿波罗号上样品箱设备损坏,甚至擦伤了玻璃。

在宇航员从月面返回登陆舱后,舱内的宇航员相继出现咽喉疼痛,鼻塞、打喷嚏、流泪等症状。他们形容说,闯进航天器里的月尘,闻起来就像燃过的火药一样!阿波罗17号航天员哈里森·施密特把这种月尘引起的症状叫做“月球花粉症”,而且曾登上过月球的12个人中,或多或少都出现症状,而且有时候要过很多天才略微缓解。这种“囧”态,也是人类在登月之前所始料未及的。

给阿波罗17号“下马威”的小小尘埃是什么东西

阿波罗17 宇航员尤金·塞尔南和他被月尘污染的宇航服。(图片来源:NASA)

月尘对“奔月”人员设备有致命威胁

那么这些飞扬的尘埃颗粒又是从哪里来的呢?我们知道,月球表面覆盖着岩石碎屑和尘埃组成的月壤,月壤一般厚5至10米,它是在月球地质历史时期由无数陨石撞击、宇宙射线和太阳风辐照、大幅度温度变化导致的月球岩石热胀冷缩破碎等因素所形成的。宇航员在松散的月壤上行走,踢起了月尘,经久不散。

1969年至1972年之间曾在月球表面行走的12名阿波罗宇航员的遭遇,让科学家和工程师们展开了对月尘的深入研究。如今,人们已基本搞清月尘起源于几十亿年以来月球表面受到流星的猛烈撞击,这种巨大的撞击力使以硅酸盐为主的月球表面岩石产生了无数的硅酸盐颗粒,同时,撞击产生的高温还使这些颗粒玻璃化。由于月球重力只有地球重力的16.6%,这些颗粒物可以长时间悬浮在月球表面。在地球上,类似细颗粒的表面在风和水流的长期侵蚀作用下会变得平滑;但在月球上没有这种侵蚀作用,这些颗粒尖锐而锋利尘埃边缘得以长时间保持。

更为严重的是,由于月球表面没有大气层的保护,太阳风带电粒子流的冲击使得这些尘埃产生静电,从而易于成团并吸附于仪器设备和宇航服表面,难以清除。 

给阿波罗17号“下马威”的小小尘埃是什么东西1

月尘。(图片来源:欧洲航天局)

月尘的影响还远不止让宇航员鼻塞和打几个喷嚏那么简单,它对登月仪器设备乃至整个飞行器的安全影响才是最致命的。

科学家们发现,月尘覆盖在仪器设备表面,会引发很多故障, 包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降、部件磨损以及热控系统故障。当月尘聚集在太阳能电池板表面的月尘,则直接影响太阳能电池的输出。月尘还常以某种神秘的途径进入机械设备内部,极易引起设备过度磨损,如上文所述的阿波罗计划中,样品箱真空泵的损坏就拜月尘所赐。而它要是钻进电子设备,会沉积在各个部位,导致设备散热或短路等不可思议的故障。

为此,航天员还必须花大量的宝贵时间来清除各种设备表面上月尘,但是使用刷子清除尘埃不仅十分困难,还容易擦伤器件表面。此外,由于月尘颗粒边缘锐利,在与宇航员或航天器碰撞时,存在划破宇航服、甚至划伤飞船表面等的可能性,从而危及宇航员的生命。

此前,由十几位科学家组成的国际团队曾对人长期暴露于月球尘埃下的影响展开过研究, 他们发现月尘对人体健康的威胁巨大。 月尘类似我们周围空气中的PM10、PM2.5颗粒物,但正因月尘具有锋利的锯齿状边缘,还极具腐蚀性,甚至带有一定辐射性,其危害远远大于地球上类似的颗粒物。比人的头发丝直径小50倍的月尘微粒可在肺部逗留数月,其停留时间越长,毒性作用的机会就越大,一旦被吸入人的肺部,可能导致癌症等严重疾病。 

小小尘埃挡得住人类探索太空的步伐?

科学家们指出,要想彻底解决月球尘埃带来的危害,还需要做进一步的深入研究。对月尘物理性质的研究还暗示,如果人类登陆类似的外太空环境,如火星等,也极有可能会遇上类似月尘的“火星尘”问题。因此,研究应对月尘的方案,对下一步太阳系内类地行星的探索具有极大的指导意义。

2016年前后, 波音公司的一位工程师卡维娅·曼亚普与来自美国家航空航天局格伦研究中心的科学家合作,提出了主动除尘和被动除尘的解决方案。主动除尘就是类似静电除尘的方案,通过特殊结构的、有一定面积的纤维织物带电后,主动吸附月尘。在模拟环境下,可吸附近90%的尘埃颗粒物;而被动除尘是指使用一种特殊涂料来中和带静电的颗粒物,并阻止其聚集于涂料表面。目前,这个项目已经成功申请了专利,但还未有产品问世。

与此同时,美国国家航空航天局(NASA)的研究人员也开发出一种先进的涂料来解决吸附空中尘埃颗粒的问题,这是NASA小行星、月球和火星卫星环境动态响应计划的一部分。这种涂层由二氧化钛的原子层组成,可使用称为原子层沉积的先进技术将二氧化钛涂覆到涂料的干颜料上,借助二氧化钛和紫外辐射的光化学反应,来消除月尘及类似颗粒物的影响。

可以预料,在不久的将来,人类科技的进步将使类似月尘的颗粒物对人类未来的太空探索的影响降到最小程度。人们相信,无论什么尘埃都无法阻挡人类探索太空的步伐。

——《原标题:月尘:人类重返月球的绊脚石?

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