Quando eu era pequeno, meu pai tinha um carro VAZ-2101. Não é o carro mais legal, mas fez seu trabalho direito e sempre teve um visual ótimo. A razão para isso era que seu pai a estava cortejando. Portanto, sempre acreditei que um carro barato ou velho pode parecer muito melhor do que um caro apenas devido à sua limpeza. A poeira em qualquer superfície causa não apenas decepção estética no estilo do Prometheus (porque não importa quanto tempo você a remova, esse processo terá que ser repetido continuamente), mas também afeta negativamente o desempenho de alguns objetos (coolers em computadores, por exemplo) e a saúde humana. não fortalece. E se estamos falando de poeira nas superfícies do apartamento, então há muitos fundos para eliminá-la.Mas se esta for a superfície de um satélite da Terra? Cientistas da Universidade do Colorado em Boulder (EUA) desenvolveram uma técnica para remover a poeira da superfície lunar. Quem é prejudicado pela poeira na Lua, como os cientistas decidiram se livrar dela e quão eficaz é seu método? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Ir.
Base de pesquisa
A superfície da lua é um verdadeiro pesadelo para quem sofre de alergias e amantes da limpeza. Brincadeiras à parte, a superfície do nosso satélite está coberta por uma camada de regolito * .
Regolith * - solo residual, que é o resultado do intemperismo cósmico das rochas na superfície da Lua (e não só).As partículas de regolith podem subir tanto pela atividade humana quanto devido a processos naturais. Eles facilmente aderem a qualquer superfície (lunares, trajes espaciais, lentes ópticas, etc.). Mas isso não é o pior, porque eles podem danificar os objetos nos quais se acomodam. Por exemplo, os trajes espaciais sofrem com a abrasividade da poeira lunar; retrorrefletores de laser na superfície lunar mostram uma diminuição na refletância da luz ao longo do tempo; dissipadores de calor e superfícies de controle térmico (TCS de superfícies de controle térmico ) mostram degradação em seu desempenho; painéis solares cobertos de poeira fornecem menor potência, etc. E uma pessoa que respirou a poeira lunar pode enfrentar problemas de saúde extremamente sérios.
Este vídeo examina o impacto da poeira lunar no participante da missão Apollo 17, Gene Cernan.
Todas as razões acima levaram ao fato de que a poeira lunar é considerada um dos principais problemas técnicos para estudos futuros da superfície lunar por humanos e robôs.
Várias tecnologias de supressão de poeira foram estudadas e desenvolvidas nas últimas décadas. Esses métodos podem ser divididos em quatro categorias (os links levam a algumas pesquisas nessas áreas): hidráulico, mecânico, eletrodinâmico e passivo.
Os métodos hidráulicos incluem o uso de jatos de líquido, espuma e gases comprimidos para remover a poeira das superfícies. ( Efeitos da degradação da poeira lunar e conceitos de remoção / prevenção )
Os métodos mecânicos usam escovas (como cerdas de náilon) ou mecanismos vibratórios para limpar a poeira. Esta técnica foi usada durante o programa Apollo. ( Avaliação da escovação como estratégia de mitigação de poeira lunar para superfícies de controle térmico ) A
proteção eletrodinâmica contra poeira é atualmente considerada um dos métodos mais avançados de lidar com a poeira lunar. A ideia básica é aplicar uma alta tensão oscilante aos eletrodos embutidos sob a superfície do equipamento para remover a poeira. Espera-se que este método seja mais eficaz no ambiente lunar, uma vez que a poeira lunar é carregada com plasma do vento solar, radiação solar e / ou efeitos triboelétricos. (Desempenho prático de um sistema de limpeza eletrostática para remoção de poeira lunar de elementos ópticos utilizando onda progressiva eletrostática .
Em métodos passivos, as superfícies são modificadas (por exemplo, por implantação iônica) para reduzir a adesão da poeira a uma determinada superfície. ( Avaliação da modificação de superfície como estratégia de mitigação de poeira lunar para superfícies de controle térmico )
Naturalmente, cada um dos métodos acima tem suas próprias vantagens e desvantagens. A escolha de uma determinada técnica depende das características do próprio pó, das propriedades das superfícies e das condições de uso da técnica.
Os cientistas acreditam que os melhores resultados podem ser alcançados com a hibridização desses métodos. Em sua pesquisa, eles apresentam um novo método de usar um feixe de elétrons para carregar partículas de poeira (<25 mícrons de diâmetro) para ricochetear em superfícies como resultado de forças eletrostáticas.
Preparação para experimentos
Imagem # 1
Em primeiro lugar, deve-se notar que as superfícies empoeiradas têm uma característica única de formação de microcavidades entre as partículas de poeira. Como visto no diagrama 1aQuando elétrons ou fótons passam por uma pequena lacuna e atingem a superfície azul das partículas de poeira abaixo da superfície da camada superior, elétrons secundários ou fotoelétrons são emitidos. Alguns desses elétrons emitidos são absorvidos dentro da microcavidade e impõem cargas negativas nas partículas de poeira ao redor (áreas vermelhas no diagrama). Um campo elétrico extremamente grande é gerado através da cavidade devido ao seu pequeno tamanho (da ordem dos mícrons), o que leva ao acúmulo de cargas negativas significativas nas partículas circundantes. Como resultado, a força repulsiva entre essas partículas carregadas negativamente é grande o suficiente para ultrapassar a coesão e a gravidade partícula a partícula ou partícula a superfície. Consequentemente, partículas de poeira são liberadas. Experimentos práticos mostraramque as partículas de poeira do mesmo tamanho com um diâmetro de até 60 μm ou agregados com um diâmetro de até 140 μm podem ser liberados de superfícies sob a influência de um feixe de elétrons de 120 eV.
Com base nesses dados, os cientistas decidiram realizar uma série de experimentos para determinar as características ideais do feixe de elétrons para remover efetivamente a poeira das superfícies.
Os experimentos foram realizados em câmara de vácuo de 50 cm de diâmetro e 28 cm de altura ( 1b ). Partículas lunares do simulador JSC-1A ( p ~ 2,9h10 3 kg / m 3 ; diâmetro <25 mícrons) foram aplicadas à amostra de teste (2,5 x 5 cm) fixada ao substrato. O substrato foi fixado a um eixo girado de modo que a superfície do substrato estivesse em um ângulo de 45 ° com a linha horizontal.
Toda a superfície da amostra foi iluminada de maneira aproximadamente uniforme por um feixe de elétrons emitido por um filamento quente (filamento) com polarização negativa instalada na parte superior da câmara a uma altura de cerca de 20 cm acima da superfície da amostra. Sob condições de vácuo, os elétrons emitidos criam efeitos de carga espacial que limitam a corrente do feixe emitida pelo filamento. Para atingir correntes de feixe mais altas, um plasma de baixa densidade foi criado fornecendo argônio de baixa pressão (~ 0,2 mTorr), ionizado por um feixe de elétrons.
A densidade da corrente do feixe na superfície da amostra foi medida com uma sonda de disco Langmuir. E a poeira liberada da superfície foi registrada por uma câmera de alta velocidade (2.000 quadros por segundo).
Imagem No. 2
A imagem 2 (à esquerda) mostra que um grande fluxo de partículas de poeira ricocheteia na superfície do vidro como resultado da exposição a um feixe de elétrons (230 eV; 1,5 μA / cm 2 ).
Uma câmera de vídeo (mas não de alta velocidade) foi usada para registrar a limpeza inicial da superfície e suas mudanças durante o processo de coleta de poeira. A correção de gama da câmera foi definida como 1 calibrando com o brilho obtido das imagens. A imagem 2 (à direita) mostra imagens da superfície do vidro antes e depois do processo de liberação.
A limpeza da superfície determina o quão empoeirada é a superfície da peça de teste (quanto menor a limpeza, maior a poeira). Nestes experimentos, a pureza (C) foi determinada de acordo com a fórmula:
C = (L s - L d ) / (L c - L d )onde L s é o brilho médio dos pixels de toda a superfície da amostra; L c - brilho médio dos pixels de uma superfície limpa (sem poeira); L d - brilho médio de pixels em uma superfície completamente coberta de poeira.
Para obter uma deposição controlada e permanente de poeira na amostra de teste, foi necessário realizar o seguinte procedimento de três etapas:
- carregar o simulador de partículas lunares em uma peneira (tamanho da malha: 25 mícrons);
- bater na peneira para que as partículas do tamanho necessário caiam sobre a amostra e formem uma camada uniforme;
- gravar imagens e analisar o brilho da superfície da amostra para determinar a limpeza inicial da superfície usando a equação acima;
É importante notar que as partículas de poeira nem sempre formam uma camada uniforme na superfície da amostra. Em algumas áreas, devido à adesão entre as partículas, várias camadas de poeira são formadas. Assim, o acabamento da superfície também depende da espessura da camada de poeira.
Depois que a configuração experimental estava pronta, vários testes foram realizados para determinar os parâmetros ótimos da densidade de corrente e energia do feixe de elétrons. A eficiência da limpeza foi testada em diferentes materiais de superfície e com diferentes espessuras da camada de poeira inicial.
Resultados experimentais
A primeira etapa foi verificar a densidade de corrente e a energia do feixe em uma amostra de traje espacial coberto com poeira JSC-1A com uma espessura de camada média (C = 37,5%). A densidade de corrente do feixe resultante variou de 0,3 a 6,1 mA / cm 2 . A energia do feixe foi fixada em ~ 230 eV, o que dá uma emissão secundária de elétrons relativamente alta para a maioria dos materiais.
Imagem # 3 O
gráfico 3a mostra o processo de limpeza em função do tempo. A pureza máxima atingiu ~ 75% para todas as densidades de corrente de feixe. A constante de tempo (definida como o tempo para a pureza aumentar para 1-1 / e ≈ 63,2% entre os valores inicial e final) do processo de purificação diminui com o aumento da densidade de corrente ( 3b) A constante de tempo tende a atingir um platô de ~ 100 segundos a uma densidade de corrente de 1,5 a 3 mA / cm 2 .
A taxa de diminuição da constante de tempo para a limpeza da poeira corresponde aproximadamente à taxa de aumento da densidade da corrente do feixe de elétrons, uma vez que o tempo de carga das partículas de poeira é inversamente proporcional à densidade da corrente. Densidade de corrente mais alta resulta em tempos de carregamento mais curtos e, portanto, coleta de poeira mais rápida. Quando o processo de carregamento é mais rápido que o movimento da poeira, a taxa de descarga é limitada pelo movimento da poeira e atinge um platô.
A dependência energética do feixe foi verificada na faixa de 60 a 400 eV. Verificou-se que o limiar de energia para desencadear o processo de limpeza é de ~ 80 eV, que é a energia mínima dos elétrons incidentes para gerar um número suficiente de elétrons secundários para criar um efeito significativo de carregamento da microcavidade.
Imagem # 4 O
gráfico acima demonstra processos de limpeza com energias de feixe de 80, 150 e 230 eV. Como pode ser visto no gráfico, o grau de pureza aumenta com o aumento da energia do feixe. Porém, a 400 eV, a poeira praticamente não foi removida. Isso se deve ao fato de que o rendimento dos elétrons secundários aumenta até um valor máximo, mas diminui com o aumento da energia dos elétrons primários. Conclui-se que tal máximo no caso de um simulador de poeira lunar é alcançado em 230 eV.
Como resultado, verificou-se que os parâmetros ótimos do sistema para melhor remoção de poeira são uma energia de 230 eV e uma densidade de corrente mínima de 1,5 a 3 mA / cm 2 .
Imagem nº 5
Para confirmar a correção dos parâmetros selecionados (230 eV e 1,5 mA / cm 2 ), os testes foram realizados usando uma amostra de um traje espacial e uma amostra de uma placa de vidro. Como pode ser visto no gráfico acima, a mudança na pureza de ambos os materiais segue a mesma tendência.
Além dos parâmetros do próprio feixe de elétrons, também foi necessário analisar o efeito da espessura da camada de poeira no funcionamento do sistema. Durante os testes, as espessuras da camada em termos de grau de pureza foram: 5%, 40% e 65%.
Imagem No. 6
O grau de pureza depende inequivocamente da espessura inicial da camada de poeira: quanto mais fina a camada, maior será a pureza (até ~ 85%). Uma possível explicação é que em uma camada mais espessa, as partículas de poeira abaixo da camada superior são mais compactas devido à gravidade, resultando em maiores forças de coesão entre as partículas. No entanto, na superfície lunar, segundo os cientistas, esse efeito será muito mais fraco do que em condições de laboratório na Terra, devido à redução da gravidade. Você também pode usar um método híbrido de remoção de poeira, ou seja, remova a camada espessa com um pincel ou vibrações e remova a camada fina restante usando o método de feixe de elétrons.
Tomados em conjunto, os resultados acima indicam claramente que as superfícies cobertas com uma camada média a fina de poeira podem ser limpas com sucesso (para níveis de pureza de 75-85%) por meio de um feixe de elétrons em um período de tempo relativamente curto (menos de 1 minuto). Vale ressaltar também que o acúmulo de carga nas superfícies expostas ao feixe de elétrons não levou à descarga eletrostática em nenhum dos testes realizados.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas .
Epílogo
Ninguém pode dizer ao certo quando começará o processo de colonização da Lua. Mas os cientistas estão fazendo o possível para resolver todos os tipos de problemas que os futuros colonos podem enfrentar.
Neste trabalho, foi considerada a questão da poeira lunar, persistentemente grudando e danificando tudo que cai em seus olhos (figurativamente falando, claro). O método de limpeza é bastante simples e consiste em utilizar um feixe de elétrons que carrega as partículas de poeira, o que leva à sua separação entre si e da superfície.
Segundo os autores deste desenvolvimento, a sua opção de limpeza é muito melhor do que a que está a ser ativamente desenvolvida na NASA (nomeadamente, a introdução de uma rede de eléctrodos especiais nos fatos espaciais), pelo menos em termos de preço e facilidade de fabrico.
Talvez um dia os colonizadores lunares, após um longo dia nas camadas lunares, entrem nas instalações por meio de uma câmara de descompressão especial, na qual será instalada uma "chuva" de feixe de elétrons, limpando-os da poeira. Os próprios cientistas não pretendem parar por aí, pois o grau de pureza obtido no decorrer dos experimentos foi de apenas 85%. Para obter um desempenho superior, o sistema precisa ser aprimorado para que possa lidar com a camada de poeira residual que consiste em partículas extremamente pequenas. Além disso, os cientistas pretendem considerar a possibilidade de usar radiação ultravioleta de ondas curtas em seu desenvolvimento.
Sexta-feira off-top:
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Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera! :)
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