韩国航空宇宙研究院《JGR Planets》：基于3D打印的高孔隙率月壤三维模拟物在小相位角下的光散射特性研究
发布日期：2024-11-01
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随着深空探测技术的持续进步，人类探月活动正从“月球认知”向“认知与利用并进”的关键阶段转变。月球土壤研究作为深化月球资源调查、推进月球资源开发利用、增强地外天体探测能力的基础与关键，已成为全球航天大国竞相争夺的科技战略高地，对国家科技进步和国际影响力提升具有极其重要的意义。
月壤研究的战略性意义
月球反照效应，即相角接近0°时亮度显著上升的现象。该效应对于遥感技术研究极为关键，因此，深入理解行星月壤双向反射率的特性至关重要。近年来，人们一直认为月球的反照效应主要由阴影遮挡引起，但最近有研究表明，这种现象的主要原因是相干后向散射，这一结论基于月球土壤样本反射率中圆偏振率在接近零相位角时的上升。进一步的分析表明，尽管相干后向散射很重要，但阴影遮挡也起着主要作用，因此，研究月壤可以更好的了解月球反照效应。
月壤即月球上的颗粒层，记录了月球形成演化的许多重要信息，包括月球形成和演化的年代、月球火山活动、月球壳幔的物质组成、水和挥发分的分布与来源、月球磁场演变、月表的太空风化作用、陨石撞击历史和月球资源等。一种常见的研究月壤特性的方法是测定其反射率，该反射率是指月壤散射光线与光源亮度之比，其值随相位角（即光源、目标与探测器之间的角度）变化而变化。
月壤结构是一种类似塔或城堡的堆积形态，主要由平均粒径在60至80μm、高孔隙率的未固结颗粒构成，被称为“仙堡结构”。由于仙堡结构在低重力下颗粒弱结合，易受宇航员活动及火箭排气影响而破坏。因此，在地球模拟月球低重力条件下制备仙堡结构，需避免颗粒材料压缩并保持结构完整性，是一项极具挑战的任务。
仙堡结构与月球的反照效应紧密相关，然而，由于地球重力的作用，在实验室中复现这一结构以研究月球仙堡结构的物理特性是尤其困难的。来自韩国天文和空间科学研究所(KASI)设计了一个用于3D打印的月球仙堡结构模型。该模型具有高孔隙率，并且被简化为树状形状，其表面多孔构造将以树的数量、树干最大长度及分支最大角度来描述。这一研究成果以“Light Scattering From High‐Porosity 3D Simulants of the Lunar Regolith at Small Phase Angles”为题，发表在《JGR Planets》上。
“仙堡结构”是月壤颗粒呈塔状堆叠的排列方式，但由于技术限制，复制这种结构颇具挑战。尽管粘结剂喷射和激光熔融等打印技术已获验证，但仍存在机械性能不足、孔隙率偏高和表面质量不佳等问题。本研究采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术，利用其设计生产复杂结构的优势，提升了机械性能和打印精度，减少了实验中对样本的损坏或干扰。
研究团队首先设计了一种树形结构模型，由三个相接的六边形柱构成，其中一柱模拟树干，其余两柱模拟树枝，相互连接。树干与树枝的几何参数随机设定，以模拟月壤颗粒的随机排列。团队选用摩方精密黑色HTL树脂，通过microArch® S240（精度：10μm）3D打印设备，成功制得仙堡结构模拟物（图1）。
图1. 样本结构的示意图和3D模型（左），该结构类似于简化版的仙堡结构；3D打印出的样本示例（右）。
随后，研究团队在小相角范围1.4°至5.0°内测量了仙堡结构模拟物的反射率。通过分析样品孔隙率与反射率S(α)的切线斜率，S(α)反映了反照效应的强度。研究还将结果与月球观测数据进行了对比，发现多孔样品的S(α)值较大。研究中，分支长度和附着角度的影响较小。孔隙率在0.78至0.82之间的样品与月球观测数据中的S(α)值相似，对应月壤的平均孔隙率。总体而言，研究发现孔隙率与反照效应可能存在关联，为探究月球反照效应提供了新的研究途径。
图2. 实验装置示意图（左）及其实际外观（右）。激光和相机位于弧形配置的轨道上，允许相角范围从0°到10°，样品位于轨道293.5厘米处；为了控制激光的功率并增加光束尺寸，在激光和样品之间放置了两个中性密度滤光片和一个光束扩展器。
该研究的数据处理顺序如下：预处理、确定要合并的图像帧数、图像合并和孔径光度测量。首先，研究团队使用积分球捕获一个平场图像，并生成一个主平场图像。在整个实验过程中，持续拍摄暗图像，保持相机温度为5°C。
图3. 一个组合样本图像的示例。该图像的目标是一个在1.4°相位角下拍摄的“70‐20‐1.0”样本。这个图像通过结合150帧生成，对应于一个完整的旋转；图像的x轴和y轴代表一个2500 × 1150px图像的像素坐标；图右侧的颜色条显示了ADU中的像素计数；绿色圆圈、白色正方形和带有虚线的环形分别代表光度孔径（半径为35像素）、样本的实际大小以及内、外天空环形。
反照效应源于月壤微结构的多种属性之间的相互作用。本研究通过3D打印技术精确控制月壤模拟物的孔隙率，以减少影响反照效应的变量。这种高孔隙率结构允许光线深入并多次反射，尤其在短样本（lmax = 1.0）中更为显著。图4-7展示了这一趋势，短且孔隙率高的样本显示出更高的反射率和更陡的S(α)斜率。图4-6表明，大部分样本遵循典型的相位曲线，即反射率随相位角的减小而增加。
图4. 在小相位角下，从相对密集（n=80）的样本中获得的反射相位曲线。
图5. 中等孔隙度样品（n=70）在小相位角下的反射率相位曲线。
图6. 高孔隙样品（n=60）在小相位角下的反射率相位曲线。
图7. 样品孔隙度的相位曲线（S(α)）的斜率，以对数刻度表示。蓝色、绿色和黄色符号分别对应于相位角为0.1、3.0和5.0°时的切线斜率。
总结：本研究采用摩方精密3D打印技术制备简化的仙堡结构模型，通过改变树木数量、最大树干长度和最大分支角度，分析了小相位角（0°至5°）下的反照率变化，并利用模拟物成功复现了相位曲线。结果显示，相位角接近零时，样品反照率提升，特别是树木少、分支短的样本，最大分支角度对反照率影响不显著。样品孔隙度在0.78至0.82范围内时，S(α)值与月球玄武岩和高地相似，为月壤反照现象研究开辟新路径。
原文链接：https://doi.org/10.1029/2024JE008406
