Cuando era pequeño, mi padre tenía un auto VAZ-2101. No es el auto más genial, pero hizo su trabajo correctamente y siempre se veía genial. La razón de esto fue que su padre la estaba cortejando. Por lo tanto, siempre he creído que un automóvil barato o viejo puede verse mucho mejor que uno caro solo por su pulcritud. El polvo en cualquier superficie provoca no solo una decepción estética en el estilo de Prometheus (porque no importa cuánto tiempo lo elimines, este proceso tendrá que repetirse una y otra vez), sino que también afecta negativamente al rendimiento de algunos objetos (neveras portátiles en ordenadores, por ejemplo), y a la salud humana. no fortalece. Y si hablamos de polvo en las superficies del apartamento, entonces hay muchos fondos para eliminarlo.¿Pero si esta es la superficie de un satélite terrestre? Científicos de la Universidad de Colorado en Boulder (EE. UU.) Han desarrollado una técnica para eliminar el polvo de la superficie lunar. ¿Quién se ve obstaculizado por el polvo en la Luna, cómo decidieron los científicos deshacerse de él y qué tan efectivo es su método? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
La superficie lunar es una pesadilla para los alérgicos y los amantes de la limpieza. Dejando de lado las bromas, la superficie de nuestro satélite está cubierta con una capa de regolito * .
Regolito * : suelo residual, que es el resultado de la meteorización cósmica de las rocas en la superficie de la Luna (y no solo).Las partículas de regolito pueden elevarse tanto por la actividad humana como por procesos naturales. Se adhieren fácilmente a cualquier superficie (vehículos lunares, trajes espaciales, lentes ópticos, etc.). Pero esto no es lo peor, porque pueden dañar los objetos sobre los que se posan. Por ejemplo, los trajes espaciales sufren la abrasión del polvo lunar; los retrorreflectores láser en la superficie lunar muestran una disminución en la reflectancia de la luz con el tiempo; los disipadores de calor y las superficies de control térmico (TCS de superficies de control térmico ) muestran degradación en su desempeño; Los paneles solares cubiertos de polvo dan menor potencia de salida, etc. Y una persona que inhaló polvo lunar puede enfrentarse a problemas de salud extremadamente graves.
Este video examina el impacto del polvo lunar en el participante de la misión Apolo 17, Gene Cernan.
Todas las razones anteriores han llevado al hecho de que el polvo lunar se considera uno de los principales problemas técnicos para futuros estudios de la superficie lunar por humanos y robots.
En las últimas décadas se han estudiado y desarrollado varias tecnologías de supresión de polvo. Estos métodos se pueden dividir en cuatro categorías (los vínculos conducen a algunas de las investigaciones en estas áreas): hidráulicos, mecánicos, electrodinámicos y pasivos.
Los métodos hidráulicos incluyen el uso de chorros de líquido, espuma y gases comprimidos para eliminar el polvo de las superficies. ( Efectos de la degradación del polvo lunar y conceptos de eliminación / prevención )
Los métodos mecánicos utilizan cepillos (como cerdas de nailon) o mecanismos vibratorios para limpiar el polvo. Esta técnica se utilizó durante el programa Apollo. ( Evaluación del cepillado como estrategia de mitigación del polvo lunar para superficies de control térmico ) El
escudo antipolvo electrodinámico se considera actualmente uno de los métodos más avanzados para tratar el polvo lunar. La idea básica es aplicar un alto voltaje oscilante a los electrodos incrustados debajo de la superficie del equipo para eliminar el polvo. Se espera que este método sea más efectivo en el ambiente lunar, ya que el polvo lunar está cargado con plasma de viento solar, radiación solar y / o efectos triboeléctricos. (Rendimiento práctico de un sistema de limpieza electrostática para eliminar el polvo lunar de los elementos ópticos utilizando ondas viajeras electrostáticas )
En los métodos pasivos, las superficies se modifican (por ejemplo, mediante implantación de iones) para reducir la adhesión del polvo a una superficie determinada. ( Evaluación de la modificación de la superficie como una estrategia de mitigación de polvo lunar para superficies de control térmico )
Naturalmente, cada uno de los métodos anteriores tiene sus propias ventajas y desventajas. La elección de una técnica particular depende de las características del propio polvo, las propiedades de las superficies y las condiciones de uso de la técnica.
Los científicos creen que se pueden lograr los mejores resultados mediante la hibridación de estos métodos. En su investigación, presentan un nuevo método de utilizar un haz de electrones para cargar partículas de polvo (<25 micrones de diámetro) para que reboten en las superficies como resultado de las fuerzas electrostáticas.
Preparándose para experimentos
Imagen n. ° 1 En
primer lugar, cabe señalar que las superficies polvorientas tienen una característica única de formación de microcavidades entre las partículas de polvo. Como se ve en el diagrama 1aCuando los electrones o fotones atraviesan un pequeño espacio y golpean la superficie azul de las partículas de polvo debajo de la superficie de la capa superior, se emiten electrones secundarios o fotoelectrones. Algunos de estos electrones emitidos se absorben dentro de la microcavidad e imponen cargas negativas sobre las partículas de polvo circundantes (áreas rojas en el diagrama). Se genera un campo eléctrico extremadamente grande a través de la cavidad debido a su pequeño tamaño (del orden de las micras), lo que conduce a la acumulación de cargas negativas significativas en las partículas circundantes. Como resultado, la fuerza repulsiva entre estas partículas cargadas negativamente es lo suficientemente grande como para superar la cohesión y la gravedad partícula a partícula o partícula a superficie. En consecuencia, se liberan partículas de polvo. Los experimentos prácticos han demostradoque las partículas de polvo del mismo tamaño con un diámetro de hasta 60 µm o agregados con un diámetro de hasta 140 µm pueden liberarse de las superficies bajo la influencia de un haz de electrones de 120 eV.
Basándose en estos datos, los científicos decidieron realizar una serie de experimentos para determinar las características óptimas del haz de electrones para eliminar eficazmente el polvo de las superficies.
Los experimentos se llevaron a cabo en una cámara de vacío de 50 cm de diámetro y 28 cm de altura ( 1b ). El simulador de partículas lunares JSC-1A ( p ~ 2.9x10 3 kg / m 3 ; diámetro <25 μm) se aplicó a una muestra de prueba (2.5 x 5 cm) unida a un sustrato. El sustrato se fijó a un eje girado de modo que la superficie del sustrato formara un ángulo de 45 ° con la línea horizontal.
Toda la superficie de la muestra fue iluminada aproximadamente de manera uniforme por un haz de electrones emitido por un filamento caliente (filamento) con una polarización negativa instalado en la parte superior de la cámara a una altura de aproximadamente 20 cm por encima de la superficie de la muestra. En condiciones de vacío, los electrones emitidos crean efectos de carga espacial que limitan la corriente del haz emitida por el filamento. Para lograr corrientes de haz más altas, se creó un plasma de baja densidad suministrando argón a baja presión (~ 0,2 mTorr), ionizado por un haz de electrones.
La densidad de la corriente del haz en la superficie de la muestra se midió con una sonda de disco Langmuir. Y el polvo liberado de la superficie fue registrado por una cámara de alta velocidad (2000 cuadros por segundo).
Imagen No. 2
La imagen n. ° 2 (izquierda) muestra que un gran flujo de partículas de polvo rebota en la superficie del vidrio como resultado de la exposición a un haz de electrones (230 eV; 1,5 μA / cm 2 ).
Se usó una cámara de video (pero no una de alta velocidad) para registrar la limpieza inicial de la superficie y sus cambios durante el proceso de recolección de polvo. La corrección de gamma de la cámara se estableció en 1 calibrándola con el brillo obtenido de las imágenes. La imagen n. ° 2 (derecha) muestra imágenes de la superficie del vidrio antes y después del proceso de liberación.
La limpieza de la superficie determina qué tan polvorienta es la superficie de la pieza de prueba (cuanto menor es la limpieza, mayor es el polvo). En estos experimentos, la pureza (C) se determinó de acuerdo con la fórmula:
C = (L s - L d ) / (L c - L d )donde L s es el brillo medio de los píxeles de toda la superficie de la muestra; L c - brillo medio de los píxeles de una superficie limpia (sin polvo); L d es el brillo medio de los píxeles en una superficie completamente cubierta de polvo.
Para lograr una deposición controlada y constante de polvo en la muestra de prueba, fue necesario realizar el siguiente procedimiento de tres pasos:
- cargue el simulador de partículas lunares en un tamiz (tamaño de malla: 25 micrones);
- golpear el tamiz para que las partículas del tamaño requerido caigan sobre la muestra y formen una capa uniforme;
- registrar imágenes y analizar el brillo de la superficie de la muestra para determinar la limpieza de la superficie inicial usando la ecuación anterior;
Es importante tener en cuenta que las partículas de polvo no siempre forman una capa uniforme en la superficie de la muestra. En algunas áreas, debido a la adhesión entre las partículas, se forman varias capas de polvo. Por tanto, el acabado de la superficie también depende del grosor de la capa de polvo.
Una vez que la configuración experimental estuvo lista, se llevaron a cabo varias pruebas para determinar los parámetros óptimos de la densidad de corriente y la energía del haz de electrones. La eficacia de limpieza se probó en diferentes materiales de superficie y con diferentes espesores de la capa de polvo inicial.
Resultados experimentales
El primer paso fue verificar la densidad de la corriente y la energía del haz en una muestra de un traje espacial cubierto con polvo JSC-1A con un espesor de capa promedio (C = 37.5%). La densidad de corriente del haz resultante varió de 0,3 a 6,1 mA / cm 2 . La energía del haz se fijó en ~ 230 eV, lo que da una emisión de electrones secundarios relativamente alta para la mayoría de los materiales.
Imagen # 3 El
gráfico 3a muestra el proceso de limpieza en función del tiempo. La pureza máxima alcanzó ~ 75% para todas las densidades de corriente del haz. La constante de tiempo (definida como el tiempo que tarda la pureza en subir a 1-1 / e ≈ 63,2% entre los valores inicial y final) del proceso de purificación disminuye a medida que aumenta la densidad de corriente ( 3b). La constante de tiempo tiende a alcanzar una meseta de ~ 100 segundos con una densidad de corriente de 1,5 a 3 mA / cm 2 .
La tasa de disminución de la constante de tiempo para la limpieza del polvo corresponde aproximadamente a la tasa de aumento de la densidad de corriente del haz de electrones, ya que el tiempo de carga de las partículas de polvo es inversamente proporcional a la densidad de la corriente. Una densidad de corriente más alta da como resultado tiempos de carga más cortos y, por lo tanto, una recolección de polvo más rápida. Cuando el proceso de carga es más rápido que el movimiento del polvo, la velocidad de descarga está limitada por el movimiento del polvo y alcanza una meseta.
La dependencia energética del haz se comprobó en el rango de 60 a 400 eV. Se encontró que la energía umbral para iniciar el proceso de limpieza es ~ 80 eV, que es la energía mínima de los electrones incidentes para generar suficientes electrones secundarios para crear un efecto de carga de microcavidades significativo.
Imagen # 4 El
gráfico de arriba muestra los procesos de limpieza con energías de haz de 80, 150 y 230 eV. Como se puede ver en el gráfico, el grado de pureza aumenta al aumentar la energía del haz. Sin embargo, a 400 eV, el polvo prácticamente no se eliminó. Esto se debe al hecho de que el rendimiento de los electrones secundarios aumenta hasta un valor máximo, pero luego disminuye con un aumento en la energía de los electrones primarios. De esto se deduce que dicho máximo en el caso de un simulador de polvo lunar se alcanza a 230 eV.
Como resultado, se encontró que el rendimiento óptimo del sistema para una mejor eliminación del polvo es una energía de 230 eV y una densidad de corriente mínima de 1,5 a 3 mA / cm 2 .
Imagen No. 5
Para confirmar la exactitud de los parámetros seleccionados (230 eV y 1,5 mA / cm 2 ), se realizaron pruebas utilizando una muestra de traje espacial y una muestra de una placa de vidrio. Como se puede ver en el gráfico anterior, el cambio en la pureza de ambos materiales sigue la misma tendencia.
Además de los parámetros del propio haz de electrones, también era necesario analizar el efecto del espesor de la capa de polvo en el funcionamiento del sistema. Durante las pruebas, los espesores de capa en términos de nivel de pureza fueron: 5%, 40% y 65%.
Imagen No. 6
El grado de pureza depende inequívocamente del grosor inicial de la capa de polvo: cuanto más fina sea la capa, mayor será la pureza (hasta ~ 85%). Una posible explicación es que en una capa más gruesa, las partículas de polvo debajo de la capa superior son más compactas debido a la gravedad, lo que resulta en mayores fuerzas de cohesión entre las partículas. Sin embargo, en la superficie lunar, según los científicos, este efecto será mucho más débil que en condiciones de laboratorio en la Tierra, debido a la gravedad reducida. También puede utilizar un método híbrido de eliminación de polvo, p. Ej. retire la capa gruesa con un cepillo o vibraciones, y retire la capa fina restante utilizando el método del haz de electrones.
En conjunto, los resultados anteriores indican claramente que las superficies cubiertas con una capa de polvo de media a fina pueden limpiarse con éxito (hasta niveles de pureza del 75-85%) mediante un haz de electrones en un período de tiempo relativamente corto (menos de 1 minuto). También vale la pena señalar que la acumulación de carga en las superficies expuestas al haz de electrones no provocó descargas electrostáticas en ninguna de las pruebas realizadas.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .
Epílogo
Nadie puede decir con certeza cuándo comenzará el proceso de colonización de la Luna. Pero los científicos están haciendo todo lo posible para resolver todo tipo de problemas que podrían enfrentar los futuros colonos.
En esta obra se consideró el tema del polvo lunar, que persistentemente pega y daña todo lo que cae en sus ojos (en sentido figurado, claro). El método de limpieza es bastante sencillo y consiste en utilizar un haz de electrones que carga las partículas de polvo, lo que provoca su separación entre sí y de la superficie.
Según los autores de este desarrollo, su opción de limpieza es mucho mejor que la que actualmente se está desarrollando activamente en la NASA (es decir, la introducción de una red de electrodos especiales en los trajes espaciales), al menos en términos de precio y facilidad de fabricación.
Quizás algún día los colonos lunares, después de un largo día en los lechos lunares, ingresen al local a través de una esclusa de aire especial, en la que se instalará una "ducha" de haz de electrones, limpiándolos del polvo. Los propios científicos no tienen la intención de detenerse allí, porque el grado de pureza obtenido en el curso de los experimentos fue solo del 85%. Para lograr un mayor rendimiento, es necesario mejorar el sistema para que pueda hacer frente a la capa de polvo residual que consiste en partículas extremadamente pequeñas. Los científicos también tienen la intención de considerar la posibilidad de utilizar radiación ultravioleta de onda corta en su desarrollo.
Viernes fuera de la cima:
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Gracias por su atención, ¡tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana chicos! :)
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