重返月球步伐受阻小小月塵或是原因 研究應(yīng)對(duì)方案指引未來探索步伐

自從1972年底阿波羅17號(hào)任務(wù)完成以后，人類就再也沒有踏足過月球，人類探索月球的研究卻從未停止過。月球離我們?nèi)绱酥?，但登月?duì)我們來說仍然是個(gè)艱巨的任務(wù)。

幾十年間，人類從未停止過探索月球的步伐。中國(guó)、美國(guó)、印度、以色列等國(guó)都實(shí)施過各種探月工程。以色列的月球探測(cè)器在最后時(shí)刻墜毀在月面，結(jié)果還制造了“最強(qiáng)生物”水熊蟲降臨月球的話題。無人探測(cè)器登月都如此之難，更何況將人送上月球。

是什么阻擋著我們重返月球的腳步?令人意外的是，登月最大的阻礙之一，來自于月球上的那些微小的塵埃——月塵。近日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)研究團(tuán)隊(duì)稱，其研發(fā)的、原本用于衛(wèi)星部件的涂層，也可以應(yīng)用于宇航服上，希望能讓宇航員同電子設(shè)備一樣共同抵御月塵的“攻擊”。

月球“花粉癥”阻擋人類探月腳步

1969年，阿波羅11號(hào)宇宙飛船在月面降落，引擎揚(yáng)起大量塵云，經(jīng)久不散，使登陸月球變得相當(dāng)困難。小小塵土，竟然推遲了宇航員的出艙活動(dòng)時(shí)間;當(dāng)他們鼓起勇氣走出宇宙飛船時(shí)，階梯上的月塵又讓人直打滑;當(dāng)踏上月面后，粗糙的月塵竟然硬生生地把宇航服上的靴子磨掉了一層!細(xì)微的月塵還會(huì)劃破宇航服，甚至擦傷防護(hù)罩玻璃。

最要命的是，登月設(shè)備的太陽(yáng)能電池原本在接受陽(yáng)光照射后，能釋放電流并將電壓數(shù)據(jù)傳回地球?？墒?，當(dāng)月塵顆粒沾上電池表面時(shí)，也擋住了陽(yáng)光，讓電壓數(shù)值下降。

在宇航員從月面返回登陸艙后，艙內(nèi)的宇航員相繼出現(xiàn)咽喉疼痛、鼻塞、打噴嚏、流淚等癥狀。他們形容說，闖進(jìn)航天器里的月塵，“聞起來就像燃燒的火藥一樣”。阿波羅17號(hào)航天員哈里森·施密特把這種月塵引起的癥狀叫做“月球花粉癥”，曾登上過月球的12個(gè)人中，或多或少都出現(xiàn)過此癥狀，過了很多天才略微緩解。躲在飛船和宇航服里的月塵，甚至跟著回到了地球。一位在地球上幫助阿波羅11號(hào)機(jī)組人員從落滿月塵的太空艙中脫身的醫(yī)生，也經(jīng)歷了“月球花粉癥”。這種“囧”態(tài)，是人類在登月之前始料未及的。

阿波羅17號(hào)宇航員尤金·塞爾南是最后一個(gè)在月球上行走的人。他在回歸的匯報(bào)中說：“灰塵可能是我們?cè)谠虑蛏线M(jìn)行科考操作的最大障礙之一。我認(rèn)為我們可以克服其他生理、物理或機(jī)械的難題——除了灰塵。”

鋒利又帶電人員設(shè)備都被“威脅”

那么這些飛揚(yáng)的塵埃顆粒又是從哪里來的呢?我們知道，月球表面覆蓋著由巖石碎屑和塵埃組成的月壤，月壤一般有5至10米厚，它是在月球地質(zhì)歷史時(shí)期由無數(shù)隕石撞擊、宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)輻照、大幅度溫度變化導(dǎo)致的月球巖石破碎等因素所形成的。飛船降落、宇航員在松散的月壤上行走，都會(huì)高調(diào)地?fù)P起月塵，經(jīng)久不散。

1969年至1972年間12名阿波羅宇航員曾在月球表面行走，他們的遭遇讓科學(xué)家和工程師們展開了對(duì)月塵的深入研究。如今，人們已基本了解，月塵是幾十億年以來隕石對(duì)月面上的猛烈撞擊所造成的，這種巨大的撞擊力讓以硅酸鹽為主的月球表面巖石產(chǎn)生了無數(shù)的硅酸鹽顆粒;同時(shí)，撞擊產(chǎn)生的高溫還使得這些顆粒玻璃化。由于月球重力只有地球重力的16.6%，這些顆粒物可以長(zhǎng)時(shí)間懸浮在月球表面。在地球上，類似細(xì)微顆粒的表面在風(fēng)和水流的長(zhǎng)期侵蝕作用下會(huì)變得平滑;但在月球上沒有這種侵蝕作用，這些顆粒尖銳而鋒利的邊緣得以長(zhǎng)時(shí)間保持。

更為嚴(yán)重的是，由于月球表面沒有大氣層的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子流的沖擊使得這些塵埃產(chǎn)生了靜電，從而易于成團(tuán)并吸附在儀器設(shè)備和宇航服表面，防不勝防而且難以清除。

月塵的影響還遠(yuǎn)不止讓宇航員打幾個(gè)噴嚏那么簡(jiǎn)單，它對(duì)登月儀器設(shè)備乃至整個(gè)飛行器的安全影響才是最致命的。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，月塵覆蓋在儀器設(shè)備表面，會(huì)引發(fā)很多故障,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降、部件磨損以及熱控系統(tǒng)故障。當(dāng)月塵聚集在太陽(yáng)能電池板表面時(shí)，則直接影響太陽(yáng)能電池的輸出。月塵還常進(jìn)入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，極易引起設(shè)備過度磨損。在阿波羅計(jì)劃中，樣品箱真空泵的損壞就拜月塵所賜。而它悄無聲息地鉆進(jìn)電子設(shè)備，會(huì)沉積在各個(gè)部位，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)散熱問題或短路等不可思議的故障。

為此，航天員必須花大量的寶貴時(shí)間來清除各種設(shè)備表面上的月塵，但是使用刷子清除月塵不僅十分困難，還容易擦傷器件表面。此外，由于月塵顆粒邊緣銳利，在與宇航員或航天器碰撞時(shí)，存在劃破宇航服、甚至劃傷飛船表面等的可能性，從而危及宇航員的生命。

此前，由十幾位科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)曾對(duì)人類長(zhǎng)期暴露于月塵下的影響展開過研究,他們發(fā)現(xiàn)月塵對(duì)人體健康的威脅巨大。月塵類似我們周圍空氣中的PM10、PM2.5顆粒物，但因?yàn)樗哂袖h利的鋸齒狀邊緣，極具腐蝕性，甚至具有一定的輻射性，其危害遠(yuǎn)大于地球上類似的顆粒物。比人的頭發(fā)絲直徑細(xì)50倍的月塵微粒，可在肺部逗留數(shù)月，其停留時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)人產(chǎn)生副作用的機(jī)會(huì)就越大。目前，吸入月塵的潛在危害還沒有完全搞清楚，但已有研究表明，月球土壤模擬物長(zhǎng)期暴露后會(huì)對(duì)動(dòng)物的肺和腦細(xì)胞造成損傷。

研究應(yīng)對(duì)方案指引未來探索步伐

科學(xué)家們指出，要想徹底解決月塵帶來的危害，還需要做進(jìn)一步的深入研究。對(duì)月塵物理性質(zhì)的研究結(jié)果，也預(yù)示著，如果人類登陸類似的外太空環(huán)境，如在火星也極有可能會(huì)遇上類似月塵的“火星塵”問題。因此，研究應(yīng)對(duì)月塵的方案，對(duì)下一步太陽(yáng)系內(nèi)類地行星的探索極具指導(dǎo)意義。

2016年前后，波音公司一位名叫卡維婭·曼亞普的工程師與來自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)格倫研究中心的科學(xué)家合作，提出了主動(dòng)除塵和被動(dòng)除塵的解決方案。主動(dòng)除塵就是用類似靜電除塵的方案，通過讓結(jié)構(gòu)特殊的、有一定面積的纖維織物帶電后，主動(dòng)吸附月塵。在模擬環(huán)境下，它可吸附接近90%的塵埃顆粒物;而被動(dòng)除塵是指使用一種特殊涂料來中和帶靜電的顆粒物，并阻止其聚集于涂料表面。目前，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)成功申請(qǐng)了專利，但還未見產(chǎn)品問世。

此前提到的NASA所研發(fā)的涂層，是其小行星、月球和火星衛(wèi)星環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)劃的一部分。這種涂層由二氧化鈦的原子層組成，使用一種叫做原子層沉積的先進(jìn)技術(shù)將二氧化鈦涂覆到涂料的干顏料上，借助二氧化鈦和紫外輻射的光化學(xué)反應(yīng)，來消除月塵及類似顆粒物的影響。

可以預(yù)料，在不久的將來，人類科技的進(jìn)步可極大降低類似月塵的顆粒物對(duì)人類未來太空探索的影響。我們相信，無論什么塵埃，都無法阻擋人類探索太空的步伐。(陳 東 記者 趙漢斌)

(陳東系中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)高級(jí)工程師)

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