Ketika saya masih kecil, ayah saya memiliki mobil VAZ-2101. Ini bukan mobil paling keren, tetapi melakukan tugasnya dengan baik dan selalu tampak hebat. Alasannya adalah karena ayahnya merayunya. Karena itu, saya selalu percaya bahwa mobil yang murah atau tua bisa terlihat jauh lebih baik daripada yang mahal hanya karena kerapihannya. Debu pada permukaan apa pun tidak hanya menyebabkan kekecewaan estetika pada gaya Prometheus (karena tidak peduli berapa lama Anda mengeluarkannya, proses ini harus diulangi berulang kali), tetapi juga berdampak negatif pada kinerja beberapa objek (pendingin di komputer, misalnya), dan kesehatan manusia. tidak menguat. Dan jika kita berbicara tentang debu di permukaan apartemen, maka ada banyak dana untuk menghilangkannya.Tapi apakah ini permukaan satelit Bumi? Ilmuwan dari Universitas Colorado di Boulder (AS) telah mengembangkan teknik untuk menghilangkan debu dari permukaan bulan. Siapa yang terhalang oleh debu di Bulan, bagaimana para ilmuwan memutuskan untuk membuangnya, dan seberapa efektif metode mereka? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Permukaan bulan adalah mimpi buruk bagi penderita alergi dan pecinta kebersihan. Semua bercanda, permukaan satelit kita ditutupi dengan lapisan regolith * .
Regolith * - sisa tanah, yang merupakan hasil pelapukan kosmik batuan di permukaan Bulan (dan tidak hanya).Partikel regolith dapat naik ke atas baik dari aktivitas manusia maupun karena proses alam. Mereka dengan mudah menempel pada permukaan apa pun (penjelajah bulan, pakaian luar angkasa, lensa optik, dll.). Tapi ini bukan yang terburuk, karena bisa merusak objek tempat mereka menetap. Misalnya, pakaian antariksa menderita abrasivitas debu bulan; reflektor laser di permukaan bulan menunjukkan penurunan pantulan cahaya dari waktu ke waktu; heat sink dan permukaan kontrol termal (TCS dari permukaan kontrol termal ) menunjukkan penurunan performanya; panel surya yang tertutup debu memberikan output daya yang lebih rendah, dll. Dan seseorang yang menghirup debu bulan dapat menghadapi masalah kesehatan yang sangat serius.
Video ini membahas dampak debu bulan pada peserta misi Apollo 17 Gene Cernan.
Semua alasan di atas mengarah pada fakta bahwa debu bulan dianggap sebagai salah satu masalah teknis utama untuk studi permukaan bulan oleh manusia dan robot di masa mendatang.
Beberapa teknologi penekan debu telah dipelajari dan dikembangkan selama beberapa dekade terakhir. Metode ini dapat dibagi menjadi empat kategori (tautan mengarah ke beberapa penelitian di bidang ini): hidraulik, mekanis, elektrodinamik, dan pasif.
Metode hidraulik mencakup penggunaan semburan cairan, busa, dan gas bertekanan untuk menghilangkan debu dari permukaan. ( Efek Degradasi Debu Bulan dan Konsep Penghapusan / Pencegahan )
Metode mekanis menggunakan sikat (seperti bulu nilon) atau mekanisme getar untuk membersihkan debu. Teknik ini digunakan selama program Apollo. ( Evaluasi Menyikat sebagai Strategi Mitigasi Debu Bulan untuk Permukaan Kontrol Termal )
Pelindung debu elektrodinamik saat ini dianggap sebagai salah satu metode paling canggih untuk menangani debu bulan. Ide dasarnya adalah menerapkan tegangan tinggi berosilasi ke elektroda yang tertanam di bawah permukaan peralatan untuk menghilangkan debu. Diharapkan metode ini akan lebih efektif di lingkungan bulan, karena debu bulan diisi dengan plasma angin matahari, radiasi matahari, dan / atau efek tribolistrik. (Kinerja praktis sistem pembersihan elektrostatis untuk menghilangkan debu bulan dari elemen optik yang menggunakan gelombang perjalanan elektrostatis )
Dalam metode pasif, permukaan dimodifikasi (misalnya, dengan implantasi ion) untuk mengurangi adhesi debu ke permukaan tertentu. ( Evaluasi Modifikasi Permukaan sebagai Strategi Mitigasi Debu Bulan untuk Permukaan Kontrol Termal )
Secara alami, setiap metode di atas memiliki kelebihan dan kekurangan. Pemilihan teknik tertentu bergantung pada karakteristik debu itu sendiri, sifat permukaan, dan kondisi penggunaan teknik tersebut.
Para ilmuwan percaya bahwa hasil terbaik dapat dicapai dengan menggabungkan metode ini. Dalam penelitiannya, mereka mempresentasikan metode baru menggunakan berkas elektron untuk mengisi partikel debu (diameter <25 mikron) untuk memantul dari permukaan sebagai akibat dari gaya elektrostatis.
Mempersiapkan eksperimen
Image №1
Pertama-tama, perlu dicatat bahwa permukaan yang berdebu memiliki ciri unik dalam pembentukan rongga mikro di antara partikel debu. Seperti yang terlihat pada diagram 1aKetika elektron atau foton melewati celah kecil dan mengenai permukaan biru dari partikel debu di bawah permukaan lapisan atas, elektron sekunder atau fotoelektron dipancarkan. Beberapa elektron yang dipancarkan ini diserap di dalam rongga mikro dan membebankan muatan negatif pada partikel debu di sekitarnya (area merah pada diagram). Medan listrik yang sangat besar dihasilkan melintasi rongga karena ukurannya yang kecil (dalam urutan mikron), yang mengarah pada akumulasi muatan negatif yang signifikan pada partikel di sekitarnya. Akibatnya, gaya tolak antara partikel bermuatan negatif ini cukup besar untuk melampaui kohesi dan gravitasi partikel-ke-partikel atau partikel-ke-permukaan. Akibatnya, partikel debu terlepas. Eksperimen praktis telah menunjukkanbahwa partikel debu dengan ukuran yang sama dengan diameter hingga 60 µm atau agregat dengan diameter hingga 140 µm dapat dilepaskan dari permukaan di bawah pengaruh berkas elektron 120 eV.
Berdasarkan data ini, para ilmuwan memutuskan untuk melakukan serangkaian percobaan untuk menentukan karakteristik optimal berkas elektron untuk menghilangkan debu dari permukaan secara efektif.
Percobaan dilakukan di ruang vakum berdiameter 50 cm dan tinggi 28 cm ( 1b ). Partikel bulan simulator JSC-1A ( p ~ 2.9h10 3 kg / m 3 ; diameter <25 mikron) diaplikasikan pada benda uji (2.5 x 5 cm) yang ditempelkan pada substrat. Substrat dipasang pada poros yang diputar sehingga permukaan substrat berada pada sudut 45 ° terhadap garis horizontal.
Seluruh permukaan sampel kira-kira diterangi secara seragam oleh berkas elektron yang dipancarkan oleh filamen panas (filamen) dengan bias negatif yang dipasang di bagian atas ruang pada ketinggian sekitar 20 cm di atas permukaan sampel. Dalam kondisi vakum, elektron yang dipancarkan menciptakan efek muatan ruang yang membatasi arus berkas yang dipancarkan dari filamen. Untuk mencapai arus berkas yang lebih tinggi, plasma dengan kerapatan rendah dibuat dengan memasok argon bertekanan rendah (~ 0,2 mTorr), yang diionisasi oleh berkas elektron.
Kepadatan arus berkas pada permukaan sampel diukur dengan probe disk Langmuir. Dan debu yang terlepas dari permukaan direkam oleh kamera berkecepatan tinggi (2000 bingkai per detik).
Gambar No. 2
Gambar # 2 (kiri) menunjukkan bahwa fluks besar partikel debu memantul dari permukaan kaca sebagai akibat paparan berkas elektron (230 eV; 1,5 μA / cm 2 ).
Kamera video (bukan yang berkecepatan tinggi) digunakan untuk merekam kebersihan awal permukaan dan perubahannya selama proses pengumpulan debu. Koreksi gamma kamera ditetapkan ke 1 dengan mengkalibrasi terhadap kecerahan yang diperoleh dari gambar. Gambar # 2 (kanan) menunjukkan gambar permukaan kaca sebelum dan sesudah proses pelepasan.
Kebersihan permukaan menentukan seberapa berdebu permukaan benda uji (semakin rendah kebersihannya, semakin tinggi pula debu). Dalam percobaan ini, kemurnian (C) ditentukan sesuai dengan rumus:
C = (L s - L d ) / (L c - L d )di mana L s adalah kecerahan rata-rata piksel dari seluruh permukaan sampel; L c - kecerahan rata-rata piksel pada permukaan yang bersih (tidak ada debu); L d adalah kecerahan rata-rata piksel pada permukaan yang seluruhnya tertutup debu.
Untuk mencapai pengendapan debu yang terkontrol dan konstan pada sampel uji, perlu dilakukan prosedur tiga langkah berikut:
- memuat simulator partikel bulan ke saringan (ukuran mata jaring: 25 mikron);
- ketuk saringan sehingga partikel dengan ukuran yang dibutuhkan jatuh pada sampel dan membentuk lapisan yang rata;
- merekam gambar dan menganalisis kecerahan permukaan sampel untuk menentukan kebersihan permukaan awal menggunakan persamaan di atas;
Perlu diperhatikan bahwa partikel debu tidak selalu membentuk lapisan yang seragam pada permukaan sampel. Di beberapa daerah, karena adhesi antar partikel, terbentuk beberapa lapisan debu. Jadi, hasil akhir permukaan juga bergantung pada ketebalan lapisan debu.
Setelah pengaturan eksperimental siap, beberapa pengujian dilakukan untuk menentukan parameter optimal dari kerapatan arus dan energi berkas elektron. Efisiensi pembersihan diuji pada bahan permukaan yang berbeda dan dengan ketebalan lapisan debu awal yang berbeda.
Hasil percobaan
Langkah pertama adalah memeriksa densitas arus dan energi pancaran pada sampel pakaian antariksa yang dilapisi debu JSC-1A dengan ketebalan lapisan rata-rata (C = 37,5%). Kerapatan arus berkas yang dihasilkan bervariasi dari 0,3 hingga 6,1 mA / cm 2 . Energi pancaran ditetapkan pada ~ 230 eV, yang memberikan emisi elektron sekunder yang relatif tinggi untuk sebagian besar material.
Gambar # 3
Grafik 3a menunjukkan proses pembersihan sebagai fungsi waktu. Kemurnian maksimum mencapai ~ 75% untuk semua kerapatan arus berkas. Konstanta waktu (didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk kemurnian meningkat menjadi 1-1 / e ≈ 63,2% antara nilai awal dan akhir) dari proses pemurnian berkurang dengan meningkatnya kerapatan arus ( 3b). Konstanta waktu cenderung mencapai dataran tinggi ~ 100 detik pada rapat arus 1,5 hingga 3 mA / cm 2 .
Laju penurunan konstanta waktu untuk pembersihan dari debu kira-kira sesuai dengan laju peningkatan kerapatan arus berkas elektron, karena waktu pengisian partikel debu berbanding terbalik dengan kerapatan arus. Kepadatan arus yang lebih tinggi menghasilkan waktu pengisian yang lebih pendek sehingga pengumpulan debu lebih cepat. Ketika proses pengisian lebih cepat dari pergerakan debu, laju pembuangan dibatasi oleh pergerakan debu dan mencapai dataran tinggi.
Ketergantungan energi balok diperiksa dalam kisaran 60 sampai 400 eV. Diketahui bahwa energi ambang untuk memicu proses pembersihan adalah ~ 80 eV, yang merupakan energi minimum elektron insiden untuk menghasilkan elektron sekunder dalam jumlah yang cukup untuk menciptakan efek pengisian rongga mikro yang signifikan.
Gambar # 4
Grafik di atas menunjukkan proses pembersihan dengan energi pancaran 80, 150 dan 230 eV. Seperti dapat dilihat dari grafik, derajat kemurnian meningkat dengan meningkatnya energi pancaran. Namun, pada 400 eV, debu tersebut praktis tidak hilang. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa hasil elektron sekunder meningkat ke nilai maksimum, tetapi kemudian menurun dengan meningkatnya energi elektron primer. Dari sini dapat disimpulkan bahwa maksimum dalam kasus simulator debu bulan dicapai pada 230 eV.
Hasilnya, ditemukan bahwa parameter sistem yang optimal untuk menghilangkan debu dengan lebih baik adalah energi 230 eV dan rapat arus minimum 1,5 hingga 3 mA / cm 2 .
Gambar No. 5
Untuk memastikan kebenaran parameter yang dipilih (230 eV dan 1,5 mA / cm 2 ), pengujian dilakukan dengan menggunakan sampel pakaian luar angkasa dan sampel dari pelat kaca. Seperti yang Anda lihat dari grafik di atas, perubahan kemurnian kedua bahan mengikuti tren yang sama.
Selain parameter berkas elektron itu sendiri, perlu juga dilakukan analisis tentang pengaruh ketebalan lapisan debu terhadap pengoperasian sistem. Selama pengujian, ketebalan lapisan ditinjau dari tingkat kemurnian adalah: 5%, 40% dan 65%.
Gambar No. 6
Tingkat kemurnian sangat bergantung pada ketebalan awal lapisan debu: semakin tipis lapisannya, semakin tinggi kemurniannya (hingga ~ 85%). Penjelasan yang mungkin adalah bahwa di lapisan yang lebih tebal, partikel debu di bawah lapisan paling atas lebih padat karena gravitasi, menghasilkan gaya kohesi yang lebih besar di antara partikel. Namun, di permukaan bulan, menurut para ilmuwan, efek ini akan jauh lebih lemah dibandingkan kondisi laboratorium di Bumi, akibat berkurangnya gravitasi. Anda juga dapat menggunakan metode penghilangan debu hibrida, mis. menghilangkan lapisan tebal dengan kuas atau getaran, dan menghilangkan lapisan tipis yang tersisa menggunakan metode berkas elektron.
Secara keseluruhan, hasil di atas dengan jelas menunjukkan bahwa permukaan yang dilapisi dengan lapisan debu sedang hingga tipis dapat dibersihkan dengan sukses (hingga tingkat kemurnian 75-85%) dengan menggunakan berkas elektron dalam waktu yang relatif singkat (kurang dari 1 menit). Perlu juga dicatat bahwa akumulasi muatan pada permukaan yang terpapar berkas elektron tidak menyebabkan pelepasan elektrostatis dalam pengujian yang dilakukan.
Untuk pengenalan yang lebih rinci tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan .
Epilog
Tidak ada yang bisa mengatakan dengan pasti kapan proses kolonisasi Bulan akan dimulai. Tetapi para ilmuwan melakukan yang terbaik untuk memecahkan semua jenis masalah yang mungkin dihadapi penjajah di masa depan.
Dalam karya ini, masalah debu bulan dipertimbangkan, terus-menerus menempel dan merusak semua yang jatuh ke matanya (secara kiasan, tentu saja). Metode pembersihannya cukup sederhana dan terdiri dari penggunaan berkas elektron yang mengisi partikel debu, yang mengarah pada pemisahan satu sama lain dan dari permukaan.
Menurut penulis pengembangan ini, opsi pembersihan mereka jauh lebih baik daripada yang saat ini sedang dikembangkan secara aktif di NASA (yaitu, pengenalan jaringan elektroda khusus ke dalam pakaian antariksa), setidaknya untuk harga dan kemudahan pembuatan.
Mungkin suatu hari nanti para pemukim bulan, setelah hari yang melelahkan di tempat tidur bulan, akan memasuki lokasi melalui pengunci udara khusus, di mana "pancuran" berkas elektron akan dipasang, membersihkan mereka dari debu. Para ilmuwan sendiri tidak berniat berhenti di situ, karena tingkat kemurnian yang diperoleh selama percobaan hanya 85%. Untuk mencapai performa yang lebih tinggi, sistem perlu diperbaiki agar dapat mengatasi lapisan debu sisa yang terdiri dari partikel yang sangat kecil. Para ilmuwan juga berniat untuk mempertimbangkan kemungkinan menggunakan radiasi ultraviolet gelombang pendek dalam perkembangannya.
Jumat off-top:
, .
, .
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?