عندما كنت صغيراً ، كان والدي يمتلك سيارة VAZ-2101. إنها ليست أروع سيارة ، لكنها قامت بعملها بشكل صحيح ودائمًا ما كانت تبدو رائعة. والسبب في ذلك أن والدها كان يغازلها. لذلك ، كنت أؤمن دائمًا أن السيارة الرخيصة أو القديمة يمكن أن تبدو أفضل بكثير من تلك باهظة الثمن فقط بسبب رتبتها. الغبار على أي سطح لا يسبب فقط خيبة أمل جمالية في أسلوب بروميثيوس (لأنه بغض النظر عن المدة التي تقوم فيها بإزالته ، يجب تكرار هذه العملية مرارًا وتكرارًا) ، ولكنه يؤثر أيضًا سلبًا على أداء بعض الأشياء (المبردات في أجهزة الكمبيوتر ، على سبيل المثال) ، وصحة الإنسان. لا تقوى. وإذا كنا نتحدث عن الغبار على أسطح الشقة ، فهناك الكثير من الأموال للقضاء عليه.لكن إذا كان هذا هو سطح قمر صناعي للأرض؟ طور علماء من جامعة كولورادو في بولدر (الولايات المتحدة الأمريكية) تقنية لإزالة الغبار من سطح القمر. من الذي يعوقه الغبار على القمر ، كيف قرر العلماء التخلص منه ، وما مدى فعالية طريقتهم؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
سطح القمر هو كابوس لمن يعانون من الحساسية ومحبي النظافة. وبغض النظر عن النكات ، فإن سطح القمر الصناعي مغطى بطبقة من الثرى * .
Regolith * - التربة المتبقية ، والتي هي نتيجة التجوية الكونية للصخور على سطح القمر (وليس فقط).يمكن أن ترتفع جسيمات الثرى إلى أعلى سواء من النشاط البشري أو بسبب العمليات الطبيعية. تلتصق بسهولة بأي سطح (مركبات القمر ، بدلات الفضاء ، العدسات البصرية ، إلخ). لكن هذا ليس الأسوأ ، لأنها يمكن أن تلحق الضرر بالأشياء التي تستقر عليها. على سبيل المثال ، تعاني بدلات الفضاء من كشط غبار القمر ؛ تظهر عاكسات الليزر على سطح القمر انخفاضًا في انعكاس الضوء بمرور الوقت ؛ تظهر المشتتات الحرارية وأسطح التحكم الحراري (TCS من أسطح التحكم الحراري ) تدهورًا في أدائها ؛ تعطي الألواح الشمسية المغطاة بالغبار ناتج طاقة أقل ، إلخ. والشخص الذي يستنشق غبار القمر يمكن أن يواجه مشاكل صحية خطيرة للغاية.
يفحص هذا الفيديو تأثير غبار القمر على جين سيرنان المشارك في مهمة أبولو 17.
أدت جميع الأسباب المذكورة أعلاه إلى حقيقة أن الغبار القمري يعتبر أحد المشاكل التقنية الرئيسية للدراسات المستقبلية لسطح القمر من قبل البشر والروبوتات.
تمت دراسة العديد من تقنيات منع الغبار وتطويرها على مدار العقود الماضية. يمكن تقسيم هذه الطرق إلى أربع فئات (الروابط تؤدي إلى بعض الأبحاث في هذه المجالات): هيدروليكي ، ميكانيكي ، ديناميكي كهربائي وسلبي.
تتضمن الطرق الهيدروليكية استخدام نفاثات من الغازات السائلة والرغوة والمضغوطة لإزالة الغبار من الأسطح. ( آثار تدهور الغبار القمري ومفاهيم الإزالة / الوقاية )
تستخدم الطرق الميكانيكية الفرش (مثل شعيرات النايلون) أو آليات الاهتزاز لتنظيف الغبار. تم استخدام هذه التقنية خلال برنامج أبولو. ( تقييم التنظيف بالفرشاة كاستراتيجية لتخفيف الغبار القمري لأسطح التحكم الحراري ) يعتبر
درع الغبار الكهروديناميكي حاليًا أحد أكثر الطرق تقدمًا للتعامل مع غبار القمر. الفكرة الأساسية هي تطبيق جهد عالي متذبذب على الأقطاب الكهربائية المدمجة تحت سطح الجهاز لإزالة الغبار. من المتوقع أن تكون هذه الطريقة أكثر فعالية في البيئة القمرية ، حيث أن الغبار القمري مشحون ببلازما الرياح الشمسية والإشعاع الشمسي و / أو التأثيرات الكهربائية الاحتكاكية. (الأداء العملي لنظام التنظيف الكهروستاتيكي لإزالة الغبار القمري من العناصر البصرية باستخدام موجة السفر الكهروستاتيكية )
في الطرق السلبية ، يتم تعديل الأسطح (على سبيل المثال ، عن طريق غرس الأيونات) لتقليل التصاق الغبار بسطح معين. ( تقييم تعديل السطح كاستراتيجية لتخفيف الغبار القمري لأسطح التحكم الحراري )
بطبيعة الحال ، كل من الطرق المذكورة أعلاه لها مزاياها وعيوبها. يعتمد اختيار تقنية معينة على خصائص الغبار نفسه وخصائص الأسطح وظروف استخدام التقنية.
يعتقد العلماء أنه يمكن تحقيق أفضل النتائج من خلال تهجين هذه الأساليب. في بحثهم ، قدموا طريقة جديدة لاستخدام شعاع الإلكترون لشحن جزيئات الغبار (قطرها أقل من 25 ميكرون) لترتد عن الأسطح كنتيجة للقوى الكهروستاتيكية.
التحضير للتجارب
الصورة رقم 1
بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن الأسطح المتربة لها ميزة فريدة تتمثل في تكوين فجوات صغيرة بين جزيئات الغبار. كما هو موضح في الرسم التخطيطي 1 أعندما تمر الإلكترونات أو الفوتونات عبر فجوة صغيرة وتضرب السطح الأزرق لجزيئات الغبار أسفل سطح الطبقة العليا ، تنبعث الإلكترونات الثانوية أو الإلكترونات الضوئية. يتم امتصاص بعض هذه الإلكترونات المنبعثة داخل فجوة دقيقة وتفرض شحنات سالبة على جزيئات الغبار المحيطة (المناطق الحمراء في الرسم التخطيطي). يتم إنشاء مجال كهربائي كبير للغاية عبر التجويف نظرًا لصغر حجمه (بترتيب الميكرونات) ، مما يؤدي إلى تراكم شحنات سالبة كبيرة على الجسيمات المحيطة. ونتيجة لذلك ، فإن القوة الطاردة بين هذه الجسيمات سالبة الشحنة كبيرة بما يكفي لتجاوز التماسك والجاذبية من جسيم إلى جسيم أو جسيم إلى سطح. وبالتالي ، يتم إطلاق جزيئات الغبار. أظهرت التجارب العمليةأن جزيئات الغبار من نفس الحجم بقطر يصل إلى 60 ميكرومتر أو مجاميع بقطر يصل إلى 140 ميكرومتر يمكن إطلاقها من الأسطح تحت تأثير حزمة إلكترونية تبلغ 120 فولت.
بناءً على هذه البيانات ، قرر العلماء إجراء سلسلة من التجارب لتحديد الخصائص المثلى لشعاع الإلكترون لإزالة الغبار من الأسطح بشكل فعال.
أجريت التجارب في غرفة مفرغة بقطر 50 سم وارتفاع 28 سم ( 1 ب ). تم تطبيق محاكي الجسيمات القمرية JSC-1A ( p ~ 2.9x10 3 kg / m 3 ؛ القطر <25 ميكرومتر) على عينة اختبار (2.5 × 5 سم) ملحقة بركيزة. تم ربط الركيزة بعمود تم تدويره بحيث يكون سطح الركيزة بزاوية 45 درجة على الخط الأفقي.
تمت إضاءة سطح العينة بالكامل تقريبًا بشكل موحد بواسطة شعاع إلكتروني ينبعث من خيوط ساخنة (خيوط) مع انحياز سلبي مثبت في الجزء العلوي من الحجرة على ارتفاع حوالي 20 سم فوق سطح العينة. في ظل ظروف الفراغ ، تخلق الإلكترونات المنبعثة تأثيرات شحن فضائية تحد من تيار الحزمة المنبعثة من الشعيرة. لتحقيق تيارات شعاع أعلى ، تم إنشاء بلازما منخفضة الكثافة عن طريق تزويد الأرجون منخفض الضغط (~ 0.2 مللي تور) ، المتأين بواسطة حزمة إلكترونية.
تم قياس كثافة تيار الحزمة على سطح العينة باستخدام مسبار قرص لانجموير. والغبار المنبعث من السطح تم تسجيله بواسطة كاميرا عالية السرعة (2000 إطار في الثانية).
الصورة رقم 2
تُظهر الصورة رقم 2 (يسار) أن تدفقًا كبيرًا من جزيئات الغبار يرتد عن سطح الزجاج نتيجة التعرض لشعاع إلكتروني (230 فولت ؛ 1.5 ميكرو أمبير / سم 2 ).
تم استخدام كاميرا فيديو (ولكن ليست عالية السرعة) لتسجيل النظافة الأولية للسطح وتغييراته أثناء عملية جمع الغبار. تم ضبط تصحيح جاما بالكاميرا على 1 من خلال المعايرة مقابل السطوع الذي تم الحصول عليه من الصور. تُظهر الصورة رقم 2 (على اليمين) صورًا لسطح الزجاج قبل وبعد عملية التحرير.
تحدد نظافة السطح مدى اتساخ سطح قطعة الاختبار (كلما انخفضت النظافة ، زادت نسبة الغبار). في هذه التجارب ، تم تحديد النقاء (C) وفقًا للصيغة:
C = (L s - L d ) / (L c - L d )حيث L s هو متوسط سطوع البكسل لسطح العينة بالكامل ؛ L c - متوسط سطوع البكسل لسطح نظيف (بدون غبار) ؛ L d - متوسط سطوع وحدات البكسل على سطح مغطى بالكامل بالغبار.
لتحقيق ترسيب محكم ودائم للغبار على عينة الاختبار ، كان من الضروري تنفيذ الإجراء التالي المكون من ثلاث خطوات:
- تحميل جهاز محاكاة الجسيمات القمرية على منخل (حجم الشبكة: 25 ميكرون) ؛
- طرق على المنخل بحيث تسقط الجسيمات بالحجم المطلوب على العينة وتشكل طبقة متساوية ؛
- تسجيل الصور وتحليل سطوع سطح العينة لتحديد نظافة السطح الأولية باستخدام المعادلة أعلاه ؛
من المهم ملاحظة أن جزيئات الغبار لا تشكل دائمًا طبقة موحدة على سطح العينة. في بعض المناطق ، بسبب الالتصاق بين الجزيئات ، تتكون عدة طبقات من الغبار. وبالتالي ، فإن تشطيب السطح يعتمد أيضًا على سمك طبقة الغبار.
بعد أن أصبح الإعداد التجريبي جاهزًا ، تم إجراء عدة اختبارات لتحديد المعلمات المثلى لكثافة التيار وطاقة حزمة الإلكترون. تم اختبار كفاءة التنظيف على مواد سطحية مختلفة وبسمك مختلف لطبقة الغبار الأولية.
نتائج تجريبية
كانت الخطوة الأولى هي التحقق من كثافة التيار وطاقة الحزمة على عينة بدلة فضاء مغطاة بغبار JSC-1A بمتوسط سمك طبقة (C = 37.5٪). تباينت كثافة تيار الحزمة الناتجة من 0.3 إلى 6.1 مللي أمبير / سم 2 . تم ضبط طاقة الحزمة عند ~ 230 فولت ، مما يعطي انبعاث إلكترون ثانويًا مرتفعًا نسبيًا لمعظم المواد.
الصورة رقم 3 يوضح
الرسم البياني 3 أ عملية التنظيف كدالة للوقت. بلغ أقصى درجة نقاء ~ 75٪ لجميع كثافات تيار الحزمة. ثابت الوقت (يُعرّف بأنه وقت ارتفاع النقاء إلى 1-1 / e 63.2٪ بين القيم الأولية والنهائية) لعملية التنقية يتناقص مع زيادة كثافة التيار ( 3 ب)). يميل ثابت الوقت إلى الوصول إلى هضبة تبلغ حوالي 100 ثانية بكثافة حالية تتراوح من 1.5 إلى 3 مللي أمبير / سم 2 .
يتوافق معدل الانخفاض في ثابت الوقت للتنظيف من الغبار تقريبًا مع معدل الزيادة في الكثافة الحالية لشعاع الإلكترون ، نظرًا لأن وقت شحن جزيئات الغبار يتناسب عكسًا مع كثافة التيار. ينتج عن كثافة التيار العالي أوقات شحن أقصر وبالتالي جمع غبار أسرع. عندما تكون عملية الشحن أسرع من حركة الغبار ، فإن معدل التفريغ يكون محدودًا بحركة الغبار ويصل إلى الهضبة.
تم فحص اعتماد الطاقة للحزمة في النطاق من 60 إلى 400 فولت. لقد وجد أن طاقة العتبة لبدء عملية التنظيف هي ~ 80 فولت ، وهو الحد الأدنى من الطاقة للإلكترونات الساقطة لتوليد إلكترونات ثانوية كافية لإنشاء تأثير شحن فجوي دقيق.
الصورة رقم 4
يوضح الرسم البياني أعلاه عمليات التنظيف باستخدام طاقات شعاع من 80 و 150 و 230 فولت. كما يتضح من الرسم البياني ، تزداد درجة النقاء مع زيادة طاقة الحزمة. ومع ذلك ، عند 400 فولت ، لم تتم إزالة الغبار عمليا. هذا يرجع إلى حقيقة أن مردود الإلكترونات الثانوية يزداد إلى أقصى قيمة ، ولكنه يتناقص بعد ذلك مع زيادة طاقة الإلكترونات الأولية. ويترتب على ذلك الوصول إلى الحد الأقصى في حالة جهاز محاكاة الغبار القمري عند 230 فولت.
نتيجة لذلك ، وجد أن المعلمات المثلى للنظام لإزالة الغبار بشكل أفضل هي طاقة 230 فولت وكثافة تيار بحد أدنى 1.5 إلى 3 مللي أمبير / سم 2 .
الصورة رقم 5
للتأكد من صحة المعلمات المختارة (230 فولت و 1.5 مللي أمبير / سم 2 ) ، تم إجراء الاختبارات باستخدام عينة من بدلة الفضاء وعينة من لوح زجاجي. كما يتضح من الرسم البياني أعلاه ، فإن التغيير في نقاء كلتا المادتين يتبع نفس الاتجاه.
بالإضافة إلى معلمات حزمة الإلكترون نفسها ، كان من الضروري أيضًا تحليل تأثير سماكة طبقة الغبار على تشغيل النظام. خلال الاختبارات كانت سماكة الطبقة من حيث درجة النقاء: 5٪ ، 40٪ و 65٪.
الصورة رقم 6
تعتمد درجة النقاء بشكل لا لبس فيه على السماكة الأولية لطبقة الغبار: فكلما كانت الطبقة أرق ، زادت درجة النقاء (تصل إلى ~ 85٪). التفسير المحتمل هو أنه في طبقة أكثر سمكًا ، تكون جزيئات الغبار الموجودة أسفل الطبقة العليا أكثر ضغطًا بسبب الجاذبية ، مما يؤدي إلى قوى تماسك أكبر بين الجسيمات. ومع ذلك ، على سطح القمر ، وفقًا للعلماء ، سيكون هذا التأثير أضعف بكثير من الظروف المعملية على الأرض ، بسبب انخفاض الجاذبية. يمكنك أيضًا استخدام طريقة هجينة لإزالة الغبار ، أي إزالة الطبقة السميكة بفرشاة أو الاهتزازات ، وإزالة الطبقة الرقيقة المتبقية باستخدام طريقة شعاع الإلكترون.
مجتمعة ، تشير النتائج المذكورة أعلاه بوضوح إلى أن الأسطح المغطاة بطبقة متوسطة إلى رقيقة من الغبار يمكن تنظيفها بنجاح (حتى 75-85٪ مستويات نقاء) عن طريق شعاع إلكتروني في فترة زمنية قصيرة نسبيًا (أقل من دقيقة واحدة). وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن تراكم الشحنة على الأسطح المعرضة لشعاع الإلكترون لم يؤد إلى تفريغ كهرباء ساكنة في أي من الاختبارات التي أجريت.
لمزيد من التعارف التفصيلي مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالاطلاع على تقرير العلماء .
الخاتمة
لا أحد يستطيع أن يقول على وجه اليقين متى ستبدأ عملية استعمار القمر. لكن العلماء يبذلون قصارى جهدهم لحل جميع أنواع المشاكل التي قد تواجه المستعمرين في المستقبل.
في هذا العمل ، تم النظر في قضية الغبار القمري ، حيث يتم لصق وإتلاف كل ما يقع في عينيها (بالمعنى المجازي بالطبع). طريقة التنظيف بسيطة للغاية وتتألف من استخدام شعاع إلكتروني يشحن جزيئات الغبار ، مما يؤدي إلى فصلها عن بعضها وعن السطح.
وفقًا لمؤلفي هذا التطوير ، فإن خيار التنظيف الخاص بهم أفضل بكثير مما يتم تطويره حاليًا في وكالة ناسا (أي إدخال شبكة من الأقطاب الكهربائية الخاصة في بدلات الفضاء) ، على الأقل من حيث السعر وسهولة التصنيع.
ربما في يوم من الأيام ، سيدخل المستوطنون القمريون ، بعد يوم طويل على الأسرة القمرية ، المبنى من خلال غرفة معادلة الضغط الخاصة ، حيث سيتم تركيب "دش" شعاع إلكتروني لتنظيفها من الغبار. العلماء أنفسهم لا ينوون التوقف عند هذا الحد ، لأن درجة النقاء التي تم الحصول عليها في سياق التجارب كانت 85٪ فقط. لتحقيق أداء أعلى ، يحتاج النظام إلى التحسين بحيث يمكنه التعامل مع طبقة الغبار المتبقية التي تتكون من جزيئات صغيرة للغاية. يعتزم العلماء أيضًا النظر في إمكانية استخدام الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة في تطورهم.
الجمعة خارج القمة:
, .
, .
شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 بسعة تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع استخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟