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

來源：摩方精密

隨著深空探測技術的持續(xù)進步,，人類探月活動正從“月球認知”向“認知與利用并進”的關鍵階段轉(zhuǎn)變,。月球土壤研究作為深化月球資源調(diào)查,、推進月球資源開發(fā)利用,、增強地外天體探測能力的基礎與關鍵,，已成為全球航天大國競相爭奪的科技戰(zhàn)略高地，對國家科技進步和國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,，即相角接近0°時亮度顯著上升的現(xiàn)象。該效應對于遙感技術研究極為關鍵,，因此,，深入理解行星月壤雙向反射率的特性至關重要。近年來,，人們一直認為月球的反照效應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的上升,。進一步的分析表明，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,。

△圖片來源于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,、月球殼幔的物質(zhì)組成、水和揮發(fā)分的分布與來源,、月球磁場演變,、月表的太空風化作用,、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、目標與探測器之間的角度）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,，是一項極具挑戰(zhàn)的任務。

3D打印精準重現(xiàn)月壤孔隙
仙堡結(jié)構(gòu)與月球的反照效應緊密相關,，然而,，由于地球重力的作用，在實驗室中復現(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,。來自韓國天文和空間科學研究所(KASI)設計了一個用于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,、樹干最大長度及分支最大角度來描述。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，但由于技術限制,，復制這種結(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已獲驗證，但仍存在機械性能不足,、孔隙率偏高和表面質(zhì)量不佳等問題,。本研究采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術，利用其設計生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,，提升了機械性能和打印精度,，減少了實驗中對樣本的損壞或干擾。

研究團隊首先設計了一種樹形結(jié)構(gòu)模型,，由三個相接的六邊形柱構(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)隨機設定,，以模擬月壤顆粒的隨機排列。團隊選用摩方精密黑色HTL樹脂,，通過microArch® S240（精度：10μm）3D打印設備,，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)類似于簡化版的仙堡結(jié)構(gòu),；3D打印出的樣本示例（右）。

隨后,，研究團隊在小相角范圍1.4°至5.0°內(nèi)測量了仙堡結(jié)構(gòu)模擬物的反射率,。通過分析樣品孔隙率與反射率S(α)的切線斜率，S(α)反映了反照效應的強度,。研究還將結(jié)果與月球觀測數(shù)據(jù)進行了對比,，發(fā)現(xiàn)多孔樣品的S(α)值較大。研究中,，分支長度和附著角度的影響較小,。孔隙率在0.78至0.82之間的樣品與月球觀測數(shù)據(jù)中的S(α)值相似,，對應月壤的平均孔隙率,。總體而言,，研究發(fā)現(xiàn)孔隙率與反照效應可能存在關聯(lián),，為探究月球反照效應提供了新的研究途徑。

△圖2. 實驗裝置示意圖（左）及其實際外觀（右）,。激光和相機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中性密度濾光片和一個光束擴展器。

該研究的數(shù)據(jù)處理順序如下：預處理,、確定要合并的圖像幀數(shù),、圖像合并和孔徑光度測量。首先,，研究團隊使用積分球捕獲一個平場圖像,，并生成一個主平場圖像。在整個實驗過程中,，持續(xù)拍攝暗圖像,，保持相機溫度為5°C,。

△圖3. 一個組合樣本圖像的示例。該圖像的目標是一個在1.4°相位角下拍攝的“70‐20‐1.0”樣本,。這個圖像通過結(jié)合150幀生成,，對應于一個完整的旋轉(zhuǎn)；圖像的x軸和y軸代表一個2500 × 1150px圖像的像素坐標,；圖右側(cè)的顏色條顯示了ADU中的像素計數(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）,、樣本的實際大小以及內(nèi),、外天空環(huán)形。

反照效應源于月壤微結(jié)構(gòu)的多種屬性之間的相互作用,。本研究通過3D打印技術精確控制月壤模擬物的孔隙率,，以減少影響反照效應的變量。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，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,，以對數(shù)刻度表示,。藍色、綠色和黃色符號分別對應于相位角為0.1,、3.0和5.0°時的切線斜率,。

總結(jié)：本研究采用摩方精密3D打印技術制備簡化的仙堡結(jié)構(gòu)模型，通過改變樹木數(shù)量,、最大樹干長度和最大分支角度,，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現(xiàn)了相位曲線,。結(jié)果顯示,，相位角接近零時，樣品反照率提升,，特別是樹木少,、分支短的樣本,，最大分支角度對反照率影響不顯著。樣品孔隙度在0.78至0.82范圍內(nèi)時,，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