基于3D打印的高孔隙率月壤三維模擬物在小相位角下的光散射特性研究

來(lái)源：摩方精密

隨著深空探測(cè)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，人類探月活動(dòng)正從“月球認(rèn)知”向“認(rèn)知與利用并進(jìn)”的關(guān)鍵階段轉(zhuǎn)變。月球土壤研究作為深化月球資源調(diào)查、推進(jìn)月球資源開發(fā)利用、增強(qiáng)地外天體探測(cè)能力的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，已成為全球航天大國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的科技戰(zhàn)略高地，對(duì)國(guó)家科技進(jìn)步和國(guó)際影響力提升具有極其重要的意義。

月壤研究的戰(zhàn)略性意義
月球反照效應(yīng)，即相角接近0°時(shí)亮度顯著上升的現(xiàn)象。該效應(yīng)對(duì)于遙感技術(shù)研究極為關(guān)鍵，因此，深入理解行星月壤雙向反射率的特性至關(guān)重要。近年來(lái)，人們一直認(rèn)為月球的反照效應(yīng)主要由陰影遮擋引起，但最近有研究表明，這種現(xiàn)象的主要原因是相干后向散射，這一結(jié)論基于月球土壤樣本反射率中圓偏振率在接近零相位角時(shí)的上升。進(jìn)一步的分析表明，盡管相干后向散射很重要，但陰影遮擋也起著主要作用，因此，研究月壤可以更好的了解月球反照效應(yīng)。

△圖片來(lái)源于Moon Crater Tycho

月壤即月球上的顆粒層，記錄了月球形成演化的許多重要信息，包括月球形成和演化的年代、月球火山活動(dòng)、月球殼幔的物質(zhì)組成、水和揮發(fā)分的分布與來(lái)源、月球磁場(chǎng)演變、月表的太空風(fēng)化作用、隕石撞擊歷史和月球資源等。一種常見的研究月壤特性的方法是測(cè)定其反射率，該反射率是指月壤散射光線與光源亮度之比，其值隨相位角（即光源、目標(biāo)與探測(cè)器之間的角度）變化而變化。

月壤結(jié)構(gòu)是一種類似塔或城堡的堆積形態(tài)，主要由平均粒徑在60至80μm、高孔隙率的未固結(jié)顆粒構(gòu)成，被稱為“仙堡結(jié)構(gòu)”。由于仙堡結(jié)構(gòu)在低重力下顆粒弱結(jié)合，易受宇航員活動(dòng)及火箭排氣影響而破壞。因此，在地球模擬月球低重力條件下制備仙堡結(jié)構(gòu)，需避免顆粒材料壓縮并保持結(jié)構(gòu)完整性，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。

3D打印精準(zhǔn)重現(xiàn)月壤孔隙
仙堡結(jié)構(gòu)與月球的反照效應(yīng)緊密相關(guān)，然而，由于地球重力的作用，在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)以研究月球仙堡結(jié)構(gòu)的物理特性是尤其困難的。來(lái)自韓國(guó)天文和空間科學(xué)研究所(KASI)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于3D打印的月球仙堡結(jié)構(gòu)模型。該模型具有高孔隙率，并且被簡(jiǎn)化為樹狀形狀，其表面多孔構(gòu)造將以樹的數(shù)量、樹干最大長(zhǎng)度及分支最大角度來(lái)描述。這一研究成果以“Light Scattering From High‐Porosity 3D Simulants of the Lunar Regolith at Small Phase Angles”為題，發(fā)表在《JGR Planets》上。

“仙堡結(jié)構(gòu)”是月壤顆粒呈塔狀堆疊的排列方式，但由于技術(shù)限制，復(fù)制這種結(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)。盡管粘結(jié)劑噴射和激光熔融等打印技術(shù)已獲驗(yàn)證，但仍存在機(jī)械性能不足、孔隙率偏高和表面質(zhì)量不佳等問(wèn)題。本研究采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)，利用其設(shè)計(jì)生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提升了機(jī)械性能和打印精度，減少了實(shí)驗(yàn)中對(duì)樣本的損壞或干擾。

研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了一種樹形結(jié)構(gòu)模型，由三個(gè)相接的六邊形柱構(gòu)成，其中一柱模擬樹干，其余兩柱模擬樹枝，相互連接。樹干與樹枝的幾何參數(shù)隨機(jī)設(shè)定，以模擬月壤顆粒的隨機(jī)排列。團(tuán)隊(duì)選用摩方精密黑色HTL樹脂，通過(guò)microArch® S240（精度：10μm）3D打印設(shè)備，成功制得仙堡結(jié)構(gòu)模擬物（圖1）。

△圖1. 樣本結(jié)構(gòu)的示意圖和3D模型（左），該結(jié)構(gòu)類似于簡(jiǎn)化版的仙堡結(jié)構(gòu)；3D打印出的樣本示例（右）。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)在小相角范圍1.4°至5.0°內(nèi)測(cè)量了仙堡結(jié)構(gòu)模擬物的反射率。通過(guò)分析樣品孔隙率與反射率S(α)的切線斜率，S(α)反映了反照效應(yīng)的強(qiáng)度。研究還將結(jié)果與月球觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)多孔樣品的S(α)值較大。研究中，分支長(zhǎng)度和附著角度的影響較小�？紫堵试�0.78至0.82之間的樣品與月球觀測(cè)數(shù)據(jù)中的S(α)值相似，對(duì)應(yīng)月壤的平均孔隙率�？傮w而言，研究發(fā)現(xiàn)孔隙率與反照效應(yīng)可能存在關(guān)聯(lián)，為探究月球反照效應(yīng)提供了新的研究途徑。

△圖2. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（左）及其實(shí)際外觀（右）。激光和相機(jī)位于弧形配置的軌道上，允許相角范圍從0°到10°，樣品位于軌道293.5厘米處；為了控制激光的功率并增加光束尺寸，在激光和樣品之間放置了兩個(gè)中性密度濾光片和一個(gè)光束擴(kuò)展器。

該研究的數(shù)據(jù)處理順序如下：預(yù)處理、確定要合并的圖像幀數(shù)、圖像合并和孔徑光度測(cè)量。首先，研究團(tuán)隊(duì)使用積分球捕獲一個(gè)平場(chǎng)圖像，并生成一個(gè)主平場(chǎng)圖像。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，持續(xù)拍攝暗圖像，保持相機(jī)溫度為5°C。

△圖3. 一個(gè)組合樣本圖像的示例。該圖像的目標(biāo)是一個(gè)在1.4°相位角下拍攝的“70‐20‐1.0”樣本。這個(gè)圖像通過(guò)結(jié)合150幀生成，對(duì)應(yīng)于一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)；圖像的x軸和y軸代表一個(gè)2500 × 1150px圖像的像素坐標(biāo)；圖右側(cè)的顏色條顯示了ADU中的像素計(jì)數(shù)；綠色圓圈、白色正方形和帶有虛線的環(huán)形分別代表光度孔徑（半徑為35像素）、樣本的實(shí)際大小以及內(nèi)、外天空環(huán)形。

反照效應(yīng)源于月壤微結(jié)構(gòu)的多種屬性之間的相互作用。本研究通過(guò)3D打印技術(shù)精確控制月壤模擬物的孔隙率，以減少影響反照效應(yīng)的變量。這種高孔隙率結(jié)構(gòu)允許光線深入并多次反射，尤其在短樣本（lmax = 1.0）中更為顯著。圖4-7展示了這一趨勢(shì)，短且孔隙率高的樣本顯示出更高的反射率和更陡的S(α)斜率。圖4-6表明，大部分樣本遵循典型的相位曲線，即反射率隨相位角的減小而增加。

△圖4. 在小相位角下，從相對(duì)密集（n=80）的樣本中獲得的反射相位曲線。

△圖5. 中等孔隙度樣品（n=70）在小相位角下的反射率相位曲線。

△圖6. 高孔隙樣品（n=60）在小相位角下的反射率相位曲線。

△圖7. 樣品孔隙度的相位曲線（S(α)）的斜率，以對(duì)數(shù)刻度表示。藍(lán)色、綠色和黃色符號(hào)分別對(duì)應(yīng)于相位角為0.1、3.0和5.0°時(shí)的切線斜率。

總結(jié)：本研究采用摩方精密3D打印技術(shù)制備簡(jiǎn)化的仙堡結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)改變樹木數(shù)量、最大樹干長(zhǎng)度和最大分支角度，分析了小相位角（0°至5°）下的反照率變化，并利用模擬物成功復(fù)現(xiàn)了相位曲線。結(jié)果顯示，相位角接近零時(shí)，樣品反照率提升，特別是樹木少、分支短的樣本，最大分支角度對(duì)反照率影響不顯著。樣品孔隙度在0.78至0.82范圍內(nèi)時(shí)，S(α)值與月球玄武巖和高地相似，為月壤反照現(xiàn)象研究開辟新路徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024JE008406