自從1972年底阿波羅17號任務完成以後,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。月球離我們如此之近,但登月對我們來說仍然是個艱鉅的任務。
幾十年間,人類從未停止過探索月球的步伐。中國、美國、印度、以色列等國都實施過各種探月工程。以色列的月球探測器在最後時刻墜毀在月面,結果還製造了“最強生物”水熊蟲降臨月球的話題。無人探測器登月都如此之難,更何況將人送上月球。
是什麼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,來自於月球上的那些微小的塵埃——月塵。近日,美國國家航空航天局(NASA)研究團隊稱,其研發的、原本用於衛星部件的塗層,也可以應用於宇航服上,希望能讓宇航員同電子設備一樣共同抵禦月塵的“攻擊”。
月球“花粉症” 阻擋人類探月腳步
1969年,阿波羅11號宇宙飛船在月面降落,引擎揚起大量塵雲,經久不散,使登陸月球變得相當困難。小小塵土,竟然推遲了宇航員的出艙活動時間;當他們鼓起勇氣走出宇宙飛船時,階梯上的月塵又讓人直打滑;當踏上月面後,粗糙的月塵竟然硬生生地把宇航服上的靴子磨掉了一層!細微的月塵還會劃破宇航服,甚至擦傷防護罩玻璃。
最要命的是,登月設備的太陽能電池原本在接受陽光照射後,能釋放電流並將電壓數據傳回地球。可是,當月塵顆粒沾上電池表面時,也擋住了陽光,讓電壓數值下降。
在宇航員從月面返回登陸艙後,艙內的宇航員相繼出現咽喉疼痛、鼻塞、打噴嚏、流淚等症狀。他們形容說,闖進航天器裡的月塵,“聞起來就像燃燒的火藥一樣”。阿波羅17號航天員哈里森·施密特把這種月塵引起的症狀叫做“月球花粉症”,曾登上過月球的12個人中,或多或少都出現過此症狀,過了很多天才略微緩解。躲在飛船和宇航服裡的月塵,甚至跟著回到了地球。一位在地球上幫助阿波羅11號機組人員從落滿月塵的太空艙中脫身的醫生,也經歷了“月球花粉症”。這種“囧”態,是人類在登月之前始料未及的。
阿波羅17號宇航員尤金·塞爾南是最後一個在月球上行走的人。他在迴歸的彙報中說:“灰塵可能是我們在月球上進行科考操作的最大障礙之一。我認為我們可以克服其他生理、物理或機械的難題——除了灰塵。”
鋒利又帶電 人員設備都被“威脅”
那麼這些飛揚的塵埃顆粒又是從哪裡來的呢?我們知道,月球表面覆蓋著由岩石碎屑和塵埃組成的月壤,月壤一般有5至10米厚,它是在月球地質歷史時期由無數隕石撞擊、宇宙射線和太陽風輻照、大幅度溫度變化導致的月球岩石破碎等因素所形成的。飛船降落、宇航員在鬆散的月壤上行走,都會高調地揚起月塵,經久不散。
1969年至1972年間12名阿波羅宇航員曾在月球表面行走,他們的遭遇讓科學家和工程師們展開了對月塵的深入研究。如今,人們已基本瞭解,月塵是幾十億年以來隕石對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岩石產生了無數的硅酸鹽顆粒;同時,撞擊產生的高溫還使得這些顆粒玻璃化。由於月球重力只有地球重力的16.6%,這些顆粒物可以長時間懸浮在月球表面。在地球上,類似細微顆粒的表面在風和水流的長期侵蝕作用下會變得平滑;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時間保持。
更為嚴重的是,由於月球表面沒有大氣層的保護,太陽風帶電粒子流的衝擊使得這些塵埃產生了靜電,從而易於成團並吸附在儀器設備和宇航服表面,防不勝防而且難以清除。
月塵的影響還遠不止讓宇航員打幾個噴嚏那麼簡單,它對登月儀器設備乃至整個飛行器的安全影響才是最致命的。
科學家們發現,月塵覆蓋在儀器設備表面,會引發很多故障, 包括機械結構卡死、密封機構失效、光學系統靈敏度下降、部件磨損以及熱控系統故障。當月塵聚集在太陽能電池板表面時,則直接影響太陽能電池的輸出。月塵還常進入機械設備內部,極易引起設備過度磨損。在阿波羅計劃中,樣品箱真空泵的損壞就拜月塵所賜。而它悄無聲息地鑽進電子設備,會沉積在各個部位,導致設備出現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間來清除各種設備表面上的月塵,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,由於月塵顆粒邊緣銳利,在與宇航員或航天器碰撞時,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,由十幾位科學家組成的國際團隊曾對人類長期暴露於月塵下的影響展開過研究, 他們發現月塵對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,但因為它具有鋒利的鋸齒狀邊緣,極具腐蝕性,甚至具有一定的輻射性,其危害遠大於地球上類似的顆粒物。比人的頭髮絲直徑細50倍的月塵微粒,可在肺部逗留數月,其停留時間越長,對人產生副作用的機會就越大。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,月球土壤模擬物長期暴露後會對動物的肺和腦細胞造成損傷。
研究應對方案 指引未來探索步伐
科學家們指出,要想徹底解決月塵帶來的危害,還需要做進一步的深入研究。對月塵物理性質的研究結果,也預示著,如果人類登陸類似的外太空環境,如在火星也極有可能會遇上類似月塵的“火星塵”問題。因此,研究應對月塵的方案,對下一步太陽系內類地行星的探索極具指導意義。
2016年前後,波音公司一位名叫卡維婭·曼亞普的工程師與來自美國國家航空航天局(NASA)格倫研究中心的科學家合作,提出了主動除塵和被動除塵的解決方案。主動除塵就是用類似靜電除塵的方案,通過讓結構特殊的、有一定面積的纖維織物帶電後,主動吸附月塵。在模擬環境下,它可吸附接近90%的塵埃顆粒物;而被動除塵是指使用一種特殊塗料來中和帶靜電的顆粒物,並阻止其聚集於塗料表面。目前,這個項目已經成功申請了專利,但還未見產品問世。
此前提到的NASA所研發的塗層,是其小行星、月球和火星衛星環境動態響應計劃的一部分。這種塗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技術將二氧化鈦塗覆到塗料的幹顏料上,藉助二氧化鈦和紫外輻射的光化學反應,來消除月塵及類似顆粒物的影響。
可以預料,在不久的將來,人類科技的進步可極大降低類似月塵的顆粒物對人類未來太空探索的影響。我們相信,無論什麼塵埃,都無法阻擋人類探索太空的步伐。
(陳東系中國科學院雲南天文臺高級工程師)
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