Физика плазмы, 2023, T. 49, № 1, стр. 75-84

1. ВВЕДЕНИЕ

Более полувека назад автоматическая станция “Луна-9” успешно прилунилась на твердый лунный грунт, покрытый слоем пыли толщиной несколько сантиметров. Тогда же американские астронавты, побывавшие на Луне с миссиями посещения, и наблюдения с автоматических станций обнаружили, что вся ее поверхность покрыта слоем пыли толщиной от сантиметров до метров, а плазменно-пылевые облака распространяются до высоты 260 км [1–4]. Посадка космических аппаратов приводила к подъему пыли вверх на десятки метров, а движение астронавтов, луноходов и роверов сопровождали шлейфы заряженных частиц [1, 5]. К настоящему времени, с одной стороны, нет полного объяснения и описания механизмов левитации облаков заряженных частиц над поверхностью Луны, а, с другой стороны, существует необходимость в разработке способов защиты и очистки скафандров и механизмов от осажденной пыли. Заряженные микрочастицы обладают повышенными адгезионными свойствами, поэтому могут портить конструкционные материалы спускаемых космических аппаратов¹¹ [6–9]. При проектировании оборудования для будущих лунных посадочных модулей необходимо будет вносить поправки в использование космических систем на ее поверхности, учитывая эффекты воздействия на них лунной пыли – от загрязнения поверхности солнечных батарей до уменьшения ресурсов работы деталей трущихся механизмов. В левитирующих пылевых облаках наблюдается уменьшение среднего размера частиц по высоте: от 50–100 мкм вблизи поверхности до 50–100 нм на больших высотах (десятки км). Образцы грунта с поверхности Луны (включающие пыль) привезены на Землю и тщательно изучены. Все образцы систематизированы, каждому присвоен индивидуальный номер, описан их химический состав и размеры частиц, что представлено в виде каталогов [10–13]. Привезенная пыль с поверхности состоит из лунного реголита с негауссовым распределением по размерам. Распределение по размерам и химический состав частиц плазменно-пылевых облаков на больших высотах исследовано не столь подробно.

Очевидно, что облака заряженных частиц влияют по-разному на космическую технику аппарата на разных высотах от поверхности Луны. В настоящей работе приведены плазменные эксперименты для моделирования воздействия пыли на пластины тантала и молибдена вблизи ее поверхности. Микрометеориты непрерывно бомбардируют Луну (соударений с поверхностью метеоритов размером 10^–5 см и более – порядка 100 м⁻² в сутки) [14]. Удельная энергия при соударении (импакте) превосходит энергию связи атомов в окислах, которые составляют лунный реголит, приводя к их распаду с выделением кислорода и металла (при высокоэнергетичном импакте в газово-плазменном облаке температура изменяется от 10 эВ до 0.2 эВ за характерное время 7 × 10^–2 с [15]). Разрушение частиц в лунном реголите приводит к выделению из окислов металлов (магния, алюминия, железа и др.) атомов или ионов соответствующих металлов и кислорода, развитию вторичных процессов синтеза. В месте импактов возможно развитие многих физико-химических процессов, приводящих к подъему заряженной пыли: оплавление частиц, полное разрушение, вторичный синтез частиц, разлет заряженных частиц с поверхности (по кулоновскому механизму) [14, 16, 17]. Рядом с будущим жилым модулем на поверхности Луны может происходить подъем пыли как из-за непрерывной бомбардировки микрометеоритами, так и от деятельности человека.

Для проведения модельных экспериментов по воздействию на материалы лунной космической техники необходимо создание искусственной лунной пыли двух типов: моделирующих пыль на поверхности и больших высотах. Существующие инжекторы заряженных пылевых частиц для испытаний космических материалов, как правило, создаются на базе ускорительной техники. Полученные лабораторные потоки заряженных частиц имеют узкие распределения по размерам (со средними размерами до мкм), и такие потоки микрочастиц не повторяют сложный химический состав лунного реголита [18–21].

Ранее нами был предложен метод создания левитирующих ансамблей заряженных частиц, базирующийся на микроволновом пробое и развитии цепных плазмохимических процессов при разлете поверхностного слоя смеси порошков, повторяющей лунный реголит²², под воздействием СВЧ-излучения мощного импульсного гиротрона [22, 23]. Метод основан на аналогии физических (кулоновское расталкивание заряженных частиц) и химических (экзотермические цепные реакции) процессов, развивающихся при бомбардировке микрометеоритами поверхности Луны и при воздействии на реголит микроволнового излучения. Полученное в плазмохимическом реакторе облако заряженной пыли левитирует на высоте до 50 см, осажденные частицы повторяют лунный реголит по химическому составу и распределению по размерам. Было предложено использовать левитрующее облако частиц для проведения имитационных экспериментов по воздействию на материалы лунной космической техники, по осаждению частиц на пластины металлов, которые в ней используются [24]. В работе [25] была показана модификация поверхности нержавеющей стали в таком облаке заряженных частиц. Настоящая статья посвящена осаждению частиц реголита на пластины тугоплавких металлов – молибдена и тантала для имитационных экспериментов. Отметим, что полученные пластины с покрытием из частиц реголита могут быть использованы в земных условиях для разработки способов очистки материалов от пыли на Луне.

2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Имитационные эксперименты по осаждению реголита на пластины металлов проводились на плазмохимическом стенде с использованием микроволнового (СВЧ) излучения гиротрона в отделе физики плазмы ИОФ РАН. Предварительную обработку пластин металлов проводили с помощью низкотемпературной плазмы прямого пьезоразряда.

2.1. Эксперименты с разрядом, инициируемым микроволновым излучением гиротрона в порошке реголита

На рис. 1 представлена схема плазмохимического стенда. Для инициирования плазмохимических процессов в смесях порошков использовался гиротрон с мощностью излучения до 400  кВт, с частотой излучения 75 ГГц. Плазмохимический реактор, микроволновая, спектральные и видеодиагностики подробно описаны в [23, 26].

Рис. 1.

Плазмохимический стенд: 1 – гиротрон, 2 – фокусирующее зеркало квазиоптического тракта, 3 – плоское зеркало, 4 – СВЧ-калориметр, 5 – квазиоптический СВЧ-ответвитель, 6–8 – детекторы падающего, отраженного и прошедшего излучения СВЧ-диагностики, 9 – плазмохимический реактор, BH1 – видеокамера.

На рис. 2 приведена схема эксперимента: на подложку реактора 3 насыпался слой порошка реголита 4 толщиной 0.5–0.7 мм, верхняя поверхность которого оставалась свободной (слой не утрамбовывался). Над порошком устанавливались (на высоте 2–4 см) пластины тантала и молибдена 7 в кварцевом держателе 8. Реголит состоял из смеси порошков диэлектриков (% масс): SiO₂(45.91%) + Al₂O₃(23.68%) + TiO₂(0.58%) + + FeO(8.06%) + MgO(6.05%) + CaO(15.71%). Часть окиси магния заменялась на магний (полностью, наполовину или на десятую часть), как было описано при создании ансамблей левитирующих частиц в патенте [22]. Распределение частиц исходной смеси порошков по размерам соответствует лунному реголиту, частицы смеси имели неправильную форму с острыми углами [23]. СВЧ-излучение гиротрона подавалось снизу через кварцевое окно на порошок в виде одиночных импульсов с интервалами между импульсами не менее 20 с. Мощность микроволнового излучения гиротрона составляла 150–400 кВт, длительность импульсов до 10 мс.

Рис. 2.

Схема плазмохимического реактора (9 на рис. 1): 1 – боковое смотровое кварцевое окно, 2 – стенка реактора, 3 – СВЧ-согласованное кварцевое окно, 4 – порошок реголита, 5 – плазменная фаза разряда, 6 – газовая фаза разряда, 7 – пластины металлических образцов (до 4-х штук одновременно), 8 – кварцевый фиксатор образцов, 9 – кварцевая труба D = 70 мм, V1 – высокоскоростная камера Fastec Imaging IN250M512, S1/S2 – световоды спектрометров Avantes, P1, P2, P3 – падающее, непоглощенное, отраженное СВЧ-излучение гиротрона (детекторы 6–8 на рис. 1).

Энергия микроволнового излучения, необходимая для развития цепных плазмохимических процессов в реакторе и создания левитирующих ансамблей частиц, составляла 1.5–4.5 кДж. На рис. 3а показаны пластины металла при инициации цепного плазмохимического процесса в реакторе. Инициация процесса видна по яркому свечению поверхности порошка. После окончания импульса гиротрона над порошком реголита в объем реактора поднимается облако частиц до высоты 10 см (в нашем случае) и до высоты 50 см в экспериментах с более длинной кварцевой трубкой. Ансамбль левитирующих заряженных частиц фиксируется в реакторе с точностью до долей секунды при помощи быстрой видеокамеры “FastecImaging IN250M512” (длина записи 250 кадров, интервал между кадрами 4 мс, экспозиция 0.2 мс) [27]. На рис. 3б приведен кадр со светящимися частицами в реакторе, зарегистрированный через 28 мс после окончания СВЧ-импульса гиротрона.

Рис. 3.

а) Пластины металла на фоне свечения поверхности реголита при инициации цепного плазмохимического процесса в реакторе. б) Левитирующее облако частиц над реголитом в реакторе (кадр сделан через 28 мс после выключения СВЧ-излучения гиротрона).

В результате протекания процессов в реакторе на пластины металлов, кварцевые держатели пластин и стенки кварцевых цилиндров осаждались вторичные материалы. Микрофотографии и анализ образцов металлов, исходного и осажденного порошка производились на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6390LA с EDS-детектором (дисперсионно-энергетическим спектрометром) EX-54175JMX. Осажденные частицы повторяют лунный реголит по химическому составу и распределению по размерам, большая часть частиц имеет оплавленную форму (сфероиды).

2.2. Техника подготовки образцов низкотемпературной плазмой прямого пьезоразряда

В реактор устанавливались одновременно 2–4 пластины металла. В экспериментах были использованы прямоугольные пластины с размерами 10 мм × 40 мм и толщиной 0.4 мм. Часть пластин предварительно обрабатывались в течение 1 мин прямым пьезоразрядом. Описание прямого пьезоразряда и параметров низкотемпературной плазмы приведены в патенте и статьях [28, 29]. В результате обработки были получены образцы с модифицированной поверхностью, которую далее можно было использовать для сравнительного анализа. На рис. 4 приведены образцы поверхности тантала и молибдена с элементным составом до и после обработки прямым пьезоразрядом. Для сравнения представлены образцы нержавеющей стали марки 309L (EN ISO 3581) до и после такой обработки [30]. После обработки прямым пьезоразрядом поверхность пластин становится более гладкой, количество шероховатостей и микротрещин уменьшается, становятся видны следы от прокатки и остаются небольшие царапины. Очистка тугоплавких металлов явно происходит хуже, чем очистка нержавеющей стали. Например, на молибдене сохранилась частица углерода. Приведенный элементный состав показывает, что обработка поверхности низкотемпературной плазмой не привела к появлению или исчезновению дополнительных компонент в элементном составе пластин нержавеющнй стали, молибдена и тантала.

Рис. 4.

Образцы поверхности пластин тантала (а), молибдена (б) и нержавеющей стали (в) с элементным составом до и после обработки прямым пьезоразрядом.

Рис. 4.

Продолжение

Рис. 4.

Окончание

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

В проведенном эксперименте в реактор устанавливались над реголитом по две пластинки тантала и молибдена: одна обработанная прямым пьезоразрядом, вторая необработанная. В реголите половина окиси магния заменялась на магний, т.е. реголит состоял из смеси порошков диэлектриков (% масс): SiO₂(45.91%) + + Al₂O₃(23.68%) + TiO₂(0.58%) + FeO(8.06%) + + MgO(3.05%) + CaO(15.71%) + Mg(3%). Эксперименты проводились в воздухе. Энергия СВЧ‑излучения гиротрона, необходимая для развития цепных плазмохимических процессов в реакторе и создания левитирующих ансамблей частиц, в данном эксперименте составляла 4 кДж (длительность импульса гиротрона 10 мс, мощность СВЧ‑излучения 400 кВт). Пластины извлекались из реактора после серии из 10 импульсов гиротрона с интервалом между импульсами 20 с. Инициация процессов в реакторе над порошком реголита происходила на 4–6 мс после переднего фронта СВЧ-импульса гиротрона (регистрировалась по появлению свечения на спектрометре S1). Длительность свечения поверхности порошка и плазменно-газовой смеси над порошком достигала 40–80 мс (регистрировалась по сигналу спектрометра S2). Разлет частиц наблюдался видеокамерой V1 в течение 300–500 мс.

В результате протекания в реакторе физико-химических процессов на пластины металлов, кварцевые держатели пластин и стенки кварцевых цилиндров осаждались частицы реголита. Рассмотрим осаждение частиц на пластины тантала и молибдена.

На рис. 5 приведены фотографии модификации поверхности образцов тантала в трех масштабах: 500 мкм, 100 мкм и 10 (20) мкм. Верхний ряд фотографий предсталяет образцы с напылением реголитом без предварительной обработки, нижний ряд фотографий – образцы с предварительной обработкой прямым пьезоразрядом. На всех образцах тантала происходит осаждение частиц реголита сферической формы, видно, что плотность (количество) осаждения частиц на необработанные пластины больше, чем на обработанные. Отметим, что вид и размер сфероидов похож на подобные оплавленные частицы, неоднократно обнаруженные в привезенной лунной пыли (см., например, фотографию частицы из лунного образца из Моря Изобилия, приведенную в работе [13], или стеклянный силикатный шарик с включениями самородного железа из работы [14]).

Рис. 5.

Фотографии модификации поверхности образцов тантала в трех масштабах: 500 мкм, 100 мкм и 10 (20) мкм. Верхний ряд фотографий представляет образцы с напылением реголитом без предварительной обработки, нижний ряд фотографий – образцы с предварительной обработкой прямым пьезоразрядом.

На рис. 6 приведены фотографии модификации поверхности образцов молибдена в трех масштабах: 500 мкм, 100 мкм и 20 (10) мкм. Верхний ряд фотографий предсталяет образцы с напылением реголитом без предварительной обработки, нижний ряд фотографий – образцы с предварительной обработкой прямым пьезоразрядом. На всех образцах молибдена происходит осаждение частиц реголита сферической формы, плотность осаждения частиц на необработанные пластины больше, чем на обработанные. На необработанных пластинах молибдена осаждаются частицы большего диаметра [31], кроме сферических частиц присутствуют частицы неправильной формы, которые осаждаются как на пластины, так и на сферические частицы (пример такой частицы, покрытой более мелкими частицами, приведен на правой верхней фотографии).

Рис. 6.

Фотографии модификации поверхности образцов молибдена в трех масштабах: 500 мкм, 100 мкм и 20 (10) мкм. Верхний ряд фотографий представляет образцы с напылением реголитом без предварительной обработки, нижний ряд фотографий – образцы с предварительной обработкой ДБР-разрядом.

На всех образцах поверхностей видно преимущественное осаждение на дефектах поверхности пластин. Ранее проведенные эксперименты с пластинами нержавеющей стали показали также роль дефектов при осаждении пыли на поверхность [25]. Чем более гладкая пластина, без шероховатостей и дефектов, тем меньше осаждается реголита и тем меньше размер наиболее крупных сфероидов. Распределения осажденных частиц по размерам на все металлические пластины отличаются от гауссовых, в них присутствует избыточно фракция частиц большого размера [31]. Ранее было показано [32], что в наблюдаемых нестационарных плазмохимических процессах распределения по размерам осажденных частиц реголита на кварцевую трубку также описываются различными негауссовыми распределениями с “тяжелыми хвостами”, лог-нормальными распределениями (например, модельными распределениями Рида–Йоргенсена, Соренсена и Барндорфа–Нильсена [33]). Такие же лог-распределения по размерам характерны для пыли, покрывающей Луну [34]. Отметим, что эксперименты по осаждению реголита на пластины металлов проводились в ИОФ РАН в Москве, а анализ поврехности образцов осуществлялся в ИПФ РАН в Нижнем Новгороде. Перевозка образцов не влияла на модифицированную поверхность, что говорит о хорошей адгезии реголита на пластины как нержавеющей стали, так и тугоплавких металлов. Пластины с осажденными частицами реголита могут быть использованы для разработки методов очистки поверхностей в земных лабораторных условиях для использования в будущих лунных посещениях (задача состоит не столько в   исследовании модификации поверхностей, сколько в разработке методик их очистки и восстановления).

Представлены экспериментальные результаты по осаждению заряженных частиц, имитирующих левитирующую пыль (пылевую плазму) на Луне, на пластины тантала и молибдена. Показано, что на пластины осаждаются частицы в виде сфероидов различных размеров, с хорошей адгезией. Распределение частиц по размерам и химический состав покрытия соответствовали лунному реголиту. Размер покрытий поверхности металлов частицами достигал 10 мм × 40 мм. Равномерность (однородность) осаждения частиц реголита на поверхность металлов зависит от предварительной обработки образцов низкотемпературной плазмой прямого пьезоразряда. Полученная в лабораторных условиях левитирующая пыль (ансамбли заряженных частиц реголита) может быть использована для имитационных экспериментов для создания образцов металлов с модифицированной поверхностью для разработки способов ее очистки (в условиях лунных экспедиций) для космической техники.