西电团队为探月设备定制“防尘服”

从嫦娥奔月到“嫦娥”探月，从对月吟诵“青天有月来几时，我今停杯一问之”到我们的月球探测器抵达月背并带回月壤，中国航天技术的发展为我们逐步揭开了月亮的神秘面纱。

在探索月球的进程中，少有人知且看似微不足道的月尘却成为了阻碍人类探索月球的重要空间环境因素之一，月尘防护也成为了探月工程中保护探测设备及宇航员生命健康的必不可少的工作。

近日，西安电子科技大学机电工程学院王卫东教授团队针对月尘防护提出了新的行之有效的应对技术，团队成员、博士研究生王晓在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表成果论文Rapid Fabrication of AntilunarDust Aluminum Surface by Nanosecond Laser Etching 。

“小”月尘也有“大”危险

月尘即是月球上的尘埃，这些细小的硅酸盐颗粒通常是由月球岩石在长期受到微陨石撞击、太阳风和宇宙射线照射后形成的，它们与地球上的尘埃有着很大的不同。

月尘颗粒大多在几十微米至几百微米之间，肉眼几乎难以看到。它们虽然很小，但陨石撞击产生的高温令这些颗粒玻璃化，粗糙、锋利且带电。正因如此，它们极易附着在探月设备和宇航员的太空服上，对设备运行和宇航员健康构成威胁。

“这些细小且锋利的月尘很容易渗入机械设备的缝隙和轴承中并不断累积，致使摩擦增加、磨损加剧，导致设备运转困难”，王晓介绍，除了会导致探月设备机械系统失效，月尘也会引发热控系统失效、带来光学表面污染，“热控系统在月球表面任务中至关重要，它主要用来调节航天器的温度以确保设备正常工作。月尘会覆盖航天器的表面，尤其是散热器等关键部位，阻止有效的热量辐射，从而导致航天器过冷或过热，影响任务正常进行。同时，月尘也会附着在光学镜头或太阳能电池板上，导致成像质量下降，影响数据采集精度，阻挡电池板吸收太阳光，引发电力供应不足”。

由月尘引发一系列的机械、热控系统及光学表面失效问题亟待解决。

不选“主动”选“被动”

“现在的月尘防护主要有主动防尘和被动防尘两种。主动防尘技术需要依赖外部能源，比如电力、机械力来减少或去除尘埃附着，通常通过控制系统或机械设备进行操作”，王卫东介绍道，“但月球上的能源资源非常有限，且储存和生成能量的成本极高，所以一般都不采用主动防尘技术”。

与主动防尘技术相比，通过改变材料表面结构、选择具备自清洁特性的材料或是给设备涂覆一层具有防尘特性的材料等方式更适合月球环境，这种不依赖于外部能源的技术被称为“被动防尘技术”。

现如今，被动防尘技术也已有了多样化的选择，“目前被动防尘主要有超疏水或超疏油涂层、自清洁材料和低黏附性表面材料等方式，都是各有优劣的，具体应用时就可以根据环境、防尘需求等综合考虑来进行选择”。

被动防尘技术因其高效、长期可靠且不需要能源支持，成为应对月球尘埃挑战的重要途径。

为探月设备定制“防尘服”

铝作为一种金属材料，因其具备轻量、高强度、耐腐蚀等特点，在航空航天、机械制造、电子设备和探测器等领域被广泛应用。

如何用这样的“老牌”材料为探月设备制作出最合身的“防尘服”？王卫东团队在铝基表面微结构上动起了脑筋。

“我们要找到一种方法，让月尘不容易附着在铝的表面”，对王晓而言，为探月设备定制“防尘服”是一项“技术活儿”，“最终我们选定了纳秒激光刻蚀的方法，制备出了具有不同结构参数的多层次微结构铝基表面”。

▲纳秒激光刻蚀铝基防尘表面扫描电镜（SEM）形貌

纳秒激光刻蚀是一种利用超短脉冲激光的材料加工技术，脉冲持续时间为纳秒级，即是一秒的十亿分之一。

“在加工过程中，我们会通过对激光参数的调节实现复杂的多层次微纳结构”，在纳秒激光刻蚀机的旁边，王晓介绍着定制“防尘服”的加工“工艺”，“一个是通过调整激光能量密度，生成不同深度和大小的刻蚀坑洞或隆起。第二个是控制脉冲频率及持续时间，短脉冲时间和高频率有助于生成精细的纳米级结构，而低频率和长脉冲则适合形成较大的微米级结构。第三个就是扫描的速度，较快的扫描速度生成浅层结构，而较慢的扫描速度有助于深层刻蚀”。

▲原位SEM测试及分子动力学模拟：

（a）原位电镜观测系统；

（b）原始铝基表面与月尘颗粒探针的接触轮廓；

（c）纳秒激光刻蚀铝基表面（Al-80 线间距80 μm）与月尘颗粒探针的接触轮廓；

（d）原子力显微镜测量的模拟月尘颗粒与不同表面之间的粘附力；

（e）颗粒与表面动态接触的MD模型；

（f）不同表面与颗粒之间的粘附力结果（分子动力学模拟）。

“微米级结构较为粗糙，可以减少尘埃附着面积。纳米级结构就比较精细，能够增强疏水、疏尘和自清洁功能”，通过不同参数激光形成的结构各不相同，因此也具备了不同的作用，“在刻蚀过程中还可能引起表面的氧化反应，形成氧化铝层。这种表面化学变化有助于提升防腐蚀性，并增强光催化或抗静电特性等功能”。

微结构的疏密程度也需要团队进行精准调控。

在不断调整线间距进行预实验的过程中，王晓发现80μm（微米）线间距制备出的铝基表面与灰尘颗粒的接触面积最小，接触轮廓最短，防尘效果最佳。

▲防尘评价结果：（a）数字图像法统计结果；（b）翻转法统计结果；不同表面翻转前（c）与翻转后（d）表面残留模拟月尘颗粒比较。

“根据原子力显微镜的微力结果显示，纳秒激光刻蚀铝基表面（线间距80μm）与模拟月尘颗粒之间的粘附力仅为9.58nN（纳牛顿，人手指敲计算机键盘的力约为七亿纳牛顿），比原始铝片的20.22nN的粘附力下降了52%。数字图像方法统计结果也表明，在相同扬尘环境中，激光刻蚀表面（线间距80μm）比原始铝基表面的尘埃覆盖率下降了约85%，极大提高了铝基表面的防月尘粘附效果”，防尘测试结果有力地证明了纳秒激光快速、可控大面积制备铝基防尘表面技术在月尘防护方面的卓越性能。

“后续，我们将会针对这一技术开展大量的工程试验验证与评估，期待能够成为航天器表面防护的备选方案之一”，对于这一技术的应用前景，王晓充满期待，“在月球车表面、热控设备表面、机械结构的表面、太阳能电池板的表面，此技术都有望得到应用，来实现表面尘埃的低粘附效果，为人类在月球探索的过程中提供更多的便利和安全保障”。

未来，或许会有更多的探月设备穿上这件西电定制版“防尘服”，去发现月球上的更多可能。

记者 / 王 格

排版 / 薛孟涵

编辑 / 王冠玉

责编 / 王 格

出品 / 党委宣传部（融媒体中心）