Quand j'étais petit, mon père avait une voiture VAZ-2101. Ce n'est pas la voiture la plus cool, mais elle a fait son travail correctement et avait toujours l'air superbe. La raison en était que son père la courtisait. Par conséquent, j'ai toujours pensé qu'une voiture bon marché ou ancienne peut être bien meilleure qu'une voiture chère uniquement en raison de sa propreté. La poussière sur n'importe quelle surface provoque non seulement une déception esthétique dans le style de Prometheus (car peu importe combien de temps vous l'enlevez, ce processus devra être répété encore et encore), mais affecte également négativement les performances de certains objets (refroidisseurs dans les ordinateurs, par exemple) et la santé humaine. ne renforce pas. Et si nous parlons de poussière sur les surfaces de l'appartement, il y a beaucoup de fonds pour l'éliminer.Mais si c'est la surface d'un satellite terrestre? Des scientifiques de l'Université du Colorado à Boulder (USA) ont mis au point une technique pour enlever la poussière de la surface lunaire. Qui est gêné par la poussière sur la Lune, comment les scientifiques ont-ils décidé de s'en débarrasser et quelle est l'efficacité de leur méthode? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base de recherche
La surface de la lune est un véritable cauchemar pour les personnes allergiques et les amateurs de propreté. Blague à part, la surface de notre satellite est recouverte d'une couche de régolithe * .
Régolithe * - sol résiduel, qui est le résultat de l'altération cosmique de la roche à la surface de la Lune (et pas seulement).Les particules de régolithe peuvent s'élever à la fois à cause de l'activité humaine et en raison de processus naturels. Ils adhèrent facilement à n'importe quelle surface (rovers lunaires, combinaisons spatiales, lentilles optiques, etc.). Mais ce n'est pas le pire, car ils peuvent endommager les objets sur lesquels ils s'installent. Par exemple, les combinaisons spatiales souffrent de l'abrasivité de la poussière de lune; les rétroréflecteurs laser sur la surface lunaire montrent une diminution de la réflectance lumineuse avec le temps; les dissipateurs thermiques et les surfaces de contrôle thermique (TCS des surfaces de contrôle thermique ) présentent une dégradation de leurs performances; les panneaux solaires recouverts de poussière donnent une puissance inférieure, etc. Et une personne qui respire la poussière de lune peut faire face à des problèmes de santé extrêmement graves.
Cette vidéo examine l'impact de la poussière de lune sur Gene Cernan, participant à la mission Apollo 17.
Toutes les raisons ci-dessus ont conduit au fait que la poussière lunaire est considérée comme l'un des principaux problèmes techniques pour les études futures de la surface lunaire par les humains et les robots.
Plusieurs technologies de suppression des poussières ont été étudiées et développées au cours des dernières décennies. Ces méthodes peuvent être divisées en quatre catégories (des liens mènent à certaines des recherches dans ces domaines): hydraulique, mécanique, électrodynamique et passive.
Les méthodes hydrauliques comprennent l'utilisation de jets de liquide, de mousse et de gaz comprimés pour éliminer la poussière des surfaces. ( Effets de la dégradation de la poussière lunaire et concepts d'élimination / prévention )
Les méthodes mécaniques utilisent des brosses (comme des poils en nylon) ou des mécanismes vibrants pour nettoyer la poussière. Cette technique a été utilisée pendant le programme Apollo. ( Évaluation du brossage en tant que stratégie d'atténuation de la poussière lunaire pour les surfaces de contrôle thermique ) Le
pare-poussière électrodynamique est actuellement considéré comme l'une des méthodes les plus avancées de traitement de la poussière lunaire. L'idée de base est d'appliquer une haute tension oscillante aux électrodes noyées sous la surface de l'équipement pour éliminer la poussière. On s'attend à ce que cette méthode soit plus efficace dans l'environnement lunaire, car la poussière lunaire est chargée de plasma éolien solaire, de rayonnement solaire et / ou d'effets triboélectriques. (Performance pratique d'un système de nettoyage électrostatique pour l'élimination de la poussière lunaire des éléments optiques utilisant une onde électrostatique progressive )
Dans les méthodes passives, les surfaces sont modifiées (par exemple, par implantation ionique) pour réduire l'adhérence de la poussière sur une surface donnée. ( Évaluation de la modification de surface en tant que stratégie d'atténuation de la poussière lunaire pour les surfaces de contrôle thermique )
Naturellement, chacune des méthodes ci-dessus a ses propres avantages et inconvénients. Le choix d'une technique particulière dépend des caractéristiques de la poussière elle-même, des propriétés des surfaces et des conditions d'utilisation de la technique.
Les scientifiques pensent que les meilleurs résultats peuvent être obtenus en hybridant ces méthodes. Dans leur recherche, ils présentent une nouvelle méthode d'utilisation d'un faisceau d'électrons pour charger des particules de poussière (<25 microns de diamètre) pour rebondir sur des surfaces sous l'effet de forces électrostatiques.
Se préparer aux expériences
Image # 1
Tout d'abord, il convient de noter que les surfaces poussiéreuses ont une caractéristique unique de formation de microcavités entre les particules de poussière. Comme le montre le diagramme 1aLorsque des électrons ou des photons traversent un petit espace et frappent la surface bleue des particules de poussière sous la surface de la couche supérieure, des électrons secondaires ou des photoélectrons sont émis. Certains de ces électrons émis sont absorbés à l'intérieur de la microcavité et imposent des charges négatives aux particules de poussière environnantes (zones rouges sur le diagramme). Un champ électrique extrêmement important est généré à travers la cavité en raison de sa petite taille (de l'ordre du micron), ce qui conduit à l'accumulation de charges négatives importantes sur les particules environnantes. En conséquence, la force de répulsion entre ces particules chargées négativement est suffisamment grande pour dépasser la cohésion et la gravité particule à particule ou particule à surface. Par conséquent, des particules de poussière sont libérées. Des expériences pratiques ont montréque des particules de poussière de même taille d'un diamètre allant jusqu'à 60 µm ou des agrégats d'un diamètre allant jusqu'à 140 µm peuvent être libérées des surfaces sous l'influence d'un faisceau d'électrons de 120 eV.
Sur la base de ces données, les scientifiques ont décidé de mener une série d'expériences pour déterminer les caractéristiques optimales du faisceau d'électrons pour éliminer efficacement la poussière des surfaces.
Les expériences ont été réalisées dans une chambre à vide de 50 cm de diamètre et 28 cm de hauteur ( 1b ). Des particules lunaires du simulateur JSC-1A ( p ~ 2,9h10 3 kg / m 3 ; diamètre <25 microns) ont été appliquées à l'éprouvette d'essai (2,5 x 5 cm) attachée au substrat. Le substrat était attaché à un arbre mis en rotation de sorte que la surface du substrat était à un angle de 45 ° par rapport à la ligne horizontale.
La surface entière de l'échantillon a été éclairée à peu près uniformément par un faisceau d'électrons émis par un filament chaud (filament) avec une polarisation négative installé dans la partie supérieure de la chambre à une hauteur d'environ 20 cm au-dessus de la surface de l'échantillon. Dans des conditions de vide, les électrons émis créent des effets de charge d'espace qui limitent le courant de faisceau émis par le filament. Pour obtenir des courants de faisceau plus élevés, un plasma à basse densité a été créé en fournissant de l'argon basse pression (~ 0,2 mTorr), ionisé par un faisceau d'électrons.
La densité de courant du faisceau sur la surface de l'échantillon a été mesurée avec une sonde à disque de Langmuir. Et la poussière libérée de la surface a été enregistrée par une caméra ultra-rapide (2000 images par seconde).
Image n ° 2
L'image n ° 2 (à gauche) montre qu'un flux important de particules de poussière rebondit sur la surface du verre suite à une exposition à un faisceau d'électrons (230 eV; 1,5 μA / cm 2 ).
Une caméra vidéo (mais pas à grande vitesse) a été utilisée pour enregistrer la propreté initiale de la surface et ses changements pendant le processus de dépoussiérage. La correction gamma de la caméra a été réglée sur 1 en calibrant par rapport à la luminosité obtenue à partir des images. L'image n ° 2 (à droite) montre des images de la surface du verre avant et après le processus de libération.
La propreté de la surface détermine le degré de poussière de la surface de l'éprouvette (plus la propreté est faible, plus la poussière est élevée). Dans ces expériences, la pureté (C) a été déterminée selon la formule:
C = (L s - L d ) / (L c - L d )où L s est la luminosité moyenne des pixels de toute la surface de l'échantillon; L c - luminosité moyenne des pixels d'une surface propre (sans poussière); L d est la luminosité moyenne des pixels sur une surface complètement recouverte de poussière.
Pour obtenir un dépôt contrôlé et constant de poussière sur l'échantillon d'essai, il était nécessaire d'effectuer la procédure en trois étapes suivante:
- charger le simulateur de particules lunaires sur un tamis (maillage: 25 microns);
- frapper sur le tamis pour que les particules de la taille requise tombent sur l'échantillon et forment une couche uniforme;
- enregistrer des images et analyser la luminosité de la surface de l'échantillon pour déterminer la propreté initiale de la surface en utilisant l'équation ci-dessus;
Il est important de noter que les particules de poussière ne forment pas toujours une couche uniforme sur la surface de l'échantillon. Dans certaines zones, en raison de l'adhérence entre les particules, plusieurs couches de poussière se forment. Ainsi, l'état de surface dépend également de l'épaisseur de la couche de poussière.
Une fois la configuration expérimentale prête, plusieurs tests ont été effectués pour déterminer les paramètres optimaux de la densité de courant et de l'énergie du faisceau d'électrons. L'efficacité du nettoyage a été testée sur différents matériaux de surface et avec différentes épaisseurs de la couche de poussière initiale.
Résultats expérimentaux
La première étape consistait à vérifier la densité de courant et l'énergie du faisceau sur un échantillon de combinaison spatiale recouvert de poussière JSC-1A avec une épaisseur de couche moyenne (C = 37,5%). Le faisceau résultant densité de courant varie de 0,3 à 6,1 mA / cm 2 . L'énergie du faisceau a été fixée à ~ 230 eV, ce qui donne une émission d'électrons secondaire relativement élevée pour la plupart des matériaux.
Image # 3 Le
graphique 3a montre le processus de nettoyage en fonction du temps. La pureté maximale atteint ~ 75% pour toutes les densités de courant de faisceau. La constante de temps (définie comme le temps nécessaire pour que la pureté augmente jusqu'à 1-1 / e ≈ 63,2% entre les valeurs initiale et finale) du processus de purification diminue à mesure que la densité de courant augmente ( 3b). La constante de temps tend à atteindre un plateau d'environ 100 secondes à une densité de courant de 1,5 à 3 mA / cm 2 .
Le taux de diminution de la constante de temps pour le nettoyage de la poussière correspond approximativement au taux d'augmentation de la densité de courant du faisceau d'électrons, puisque le temps de charge des particules de poussière est inversement proportionnel à la densité de courant. Une densité de courant plus élevée entraîne des temps de charge plus courts et donc une collecte de poussière plus rapide. Lorsque le processus de chargement est plus rapide que le mouvement de la poussière, le taux de décharge est limité par le mouvement de la poussière et atteint un plateau.
La dépendance énergétique du faisceau a été vérifiée dans la plage de 60 à 400 eV. Il a été constaté que l'énergie seuil pour démarrer le processus de nettoyage est de ~ 80 eV, qui est l'énergie minimale des électrons incidents pour générer suffisamment d'électrons secondaires pour créer un effet de charge de microcavité significatif.
Image # 4 Le
graphique ci-dessus montre les processus de nettoyage avec des énergies de faisceau de 80, 150 et 230 eV. Comme on peut le voir sur le graphique, le degré de pureté augmente avec l'augmentation de l'énergie du faisceau. Cependant, à 400 eV, la poussière n'était pratiquement pas éliminée. Cela est dû au fait que le rendement des électrons secondaires augmente jusqu'à une valeur maximale, mais diminue ensuite avec une augmentation de l'énergie des électrons primaires. Il en résulte qu'un tel maximum dans le cas d'un simulateur de poussière lunaire est atteint à 230 eV.
En conséquence, il a été constaté que les performances optimales du système pour un meilleur dépoussiérage sont une énergie de 230 eV et une densité de courant minimale de 1,5 à 3 mA / cm 2 .
Image n ° 5
Pour confirmer l'exactitude des paramètres sélectionnés (230 eV et 1,5 mA / cm 2 ), des tests ont été réalisés à l'aide d'un échantillon d'une combinaison spatiale et d'un échantillon d'une plaque de verre. Comme on peut le voir sur le graphique ci-dessus, l'évolution de la pureté des deux matériaux suit la même tendance.
Outre les paramètres du faisceau d'électrons lui-même, il était également nécessaire d'analyser l'effet de l'épaisseur de la couche de poussière sur le fonctionnement du système. Lors des tests, les épaisseurs de couche en termes de niveau de pureté étaient: 5%, 40% et 65%.
Image n ° 6
Le degré de pureté dépend sans ambiguïté de l'épaisseur initiale de la couche de poussière: plus la couche est fine, plus la pureté sera élevée (jusqu'à ~ 85%). Une explication possible est que dans une couche plus épaisse, les particules de poussière sous la couche la plus haute sont plus compactes en raison de la gravité, ce qui entraîne des forces de cohésion plus importantes entre les particules. Cependant, sur la surface lunaire, selon les scientifiques, cet effet sera beaucoup plus faible que dans des conditions de laboratoire sur Terre, en raison d'une gravité réduite. Vous pouvez également utiliser une méthode de dépoussiérage hybride, c.-à-d. enlever la couche épaisse avec un pinceau ou des vibrations, et retirer la couche mince restante en utilisant la méthode du faisceau d'électrons.
Pris ensemble, les résultats ci-dessus indiquent clairement que les surfaces recouvertes d'une couche moyenne à fine de poussière peuvent être nettoyées avec succès (à des niveaux de pureté de 75 à 85%) au moyen d'un faisceau d'électrons dans un laps de temps relativement court (moins de 1 minute). Il convient également de noter que l'accumulation de charges sur les surfaces exposées au faisceau d'électrons n'a conduit à aucune décharge électrostatique dans aucun des tests effectués.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de vous pencher sur le rapport des scientifiques .
Épilogue
Personne ne peut dire avec certitude quand le processus de colonisation de la Lune commencera. Mais les scientifiques font de leur mieux pour résoudre toutes sortes de problèmes auxquels les futurs colons pourraient faire face.
Dans ce travail, la question de la poussière lunaire a été considérée, collant et endommageant constamment tout ce qui lui tombe dans les yeux (au sens figuré, bien sûr). La méthode de nettoyage est assez simple et consiste à utiliser un faisceau d'électrons qui charge les particules de poussière, ce qui conduit à leur séparation les unes des autres et de la surface.
Selon les auteurs de ce développement, leur option de nettoyage est bien meilleure que ce qui est actuellement activement développé à la NASA (à savoir, l'introduction d'un réseau d'électrodes spéciales dans les combinaisons spatiales), du moins en termes de prix et de facilité de fabrication.
Peut-être qu'un jour les colons lunaires, après une longue journée sur les lits lunaires, entreront dans les locaux par un sas spécial, dans lequel une «douche» à faisceau d'électrons sera installée, qui les nettoiera de la poussière. Les scientifiques eux-mêmes n'ont pas l'intention de s'arrêter là, car le degré de pureté obtenu au cours des expériences n'était que de 85%. Pour obtenir des performances plus élevées, le système doit être amélioré afin qu'il puisse faire face à la couche de poussière résiduelle constituée de particules extrêmement petites. Les scientifiques ont également l'intention d'envisager la possibilité d'utiliser le rayonnement ultraviolet à ondes courtes dans leur développement.
Vendredi off-top:
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Merci pour votre attention, restez curieux et passez un super week-end les gars! :)
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