导读 用NASA副局长JimReuter的话说，到2040年将载人任务送上火星是一个大胆的目标。挑战包括所涉及的距离，使用传统的推进方法可能需要长达六个...

用NASA副局长JimReuter的话说，到2040年将载人任务送上火星是一个“大胆的目标”。挑战包括所涉及的距离，使用传统的推进方法可能需要长达六个月的时间才能完成。此外，还有辐射带来的危险，包括更多地接触太阳粒子、耀斑和银河宇宙射线(GCR)。此外，宇航员在凌日期间将在微重力环境中度过一段时间，这可能会对人类的健康、生理和心理造成严重影响。

但是一次在火星上生活和工作几个月的挑战又如何呢?虽然辐射增加和重力降低是一个问题，但火星风化层也是如此。与月球风化层一样，火星上的灰尘会粘附在宇航员的宇航服上，并对他们的设备造成磨损。然而，它也含有必须清除的有害颗粒，以防止污染栖息地。在最近的一项研究中，一组航空航天工程师测试了一种新的静电系统，用于去除宇航服上的火星风化层，该系统可以去除有害灰尘，效率高达98%。

新系统由英国布里斯托大学航空航天工程系工程硕士生和空间系统工程教授BenjaminM.Griggs和LucindaBerthoud设计。论文描述了该系统和验证过程最近发表在《宇航学报》杂志上。正如他们所解释的，他们提出的静电去除系统(ERS)利用介电电泳(DEP)现象去除宇航服织物上的火星灰尘。

与月球对应物非常相似，火星风化层预计会因暴露于宇宙辐射而带静电。但在火星上，还有尘暴和风暴的贡献，众所周知，它们会产生静电放电(又名闪电)。在阿波罗任务期间，宇航员报告了月球风化层如何粘附在他们的宇航服上并被追踪回他们的登月舱。一旦进入内部，它同样会粘在所有东西上并进入他们的眼睛和肺部，引起刺激和呼吸道问题。

鉴于他们计划通过阿尔忒弥斯计划将宇航员送回月球，美国宇航局正在研究几种防止风化层进入居住舱的方法，例如宇航服的涂层技术和用于清洁宇航服的电子束。虽然火星尘埃预计会对宇航服造成类似的磨损，但由于它可能含有有毒颗粒，情况会变得更糟。正如格里格斯通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样：

“除了对宇航服本身产生磨损作用之外，火星风化层预计还会给宇航员带来健康问题。众所周知，它含有一系列可能致癌或导致呼吸系统问题的有害颗粒，来自探路者任务的数据显示了其存在铬等有毒颗粒。因此，在进入火星居住区之前，需要将火星风化层从宇航服中取出，以防止宇航员与风化层颗粒接触。”

该设备背后的原理是介电电泳(DEP)，是指中性粒子在受到不均匀电场作用时的运动。他们提出的静电消除系统(ERS)由两个组件组成：一个高压波形发生器(HVWG)，用于产生高达1000伏的不同频率和幅度的方波;以及一个由平行铜电极阵列组成的静电消除装置(ERD)。当方波施加在ERD中的电极上时，会产生一个大且变化的电场。正如格里格斯总结的那样：

主要含有铝和氯的微球体在合成火星风化层的矿物表面生长。图片来源：TetyanaMilojevic

“因此，当灰尘颗粒入射到ERD表面时，灰尘颗粒通过静电力和介电泳力(由于大电场)的组合而发生位移，该力分别作用于灰尘内的带电和不带电颗粒。这其作用是在垂直于电极的方向上置换灰尘颗粒，从而清除ERD表面。”

为了评估他们提出的系统的性能，Griggs和Berthoud教授开发了一项实验来研究几个关键变量。这包括方波的频率和幅度、电极之间的间距、ERD表面的倾斜度、电极和灰尘层之间的距离以及去除灰尘的表面材料。第一步是生成分析模型，这对于该系统来说是一项极其复杂的任务，而且以前的数值模型并不是特别有用。

“对于这项工作，因此使用库伦定律和介电泳定律导出了一个更简单的模型，用于初步预测参数的影响，包括方波幅度、电极间距和灰尘电极间距(电极和灰尘电极之间的实际距离)它们正在清除的灰尘颗粒)对系统性能的影响，”格里格斯说。下一步是准备一个实验，量化所提议系统的最佳性能和行为并测量其效果。正如格里格斯所描述的：

“开发了两个指标来量化和比较测试期间的系统性能：清除性能(清除的表面不含灰尘颗粒的百分比)和清除率(基于从5点到5点所需时间的标准化清除率)%到最终清除性能的60%)。通过实验探索了广泛的参数，包括施加在电极上的方波的频率和幅度。然后将该系统应用于通过集成一层层来去除宇航服外层的灰尘系统和灰尘颗粒层之间的Ortho-fabric(宇航服的外层)。”

通过测试，他们发现，当直接集成在灰尘颗粒层下方时，该系统可实现98%的最佳清除性能。然而，当引入外层时，由于系统和灰尘颗粒之间的距离增加，这一点显着下降。因此，他们得出的结论是，该系统可能需要直接集成到宇航服的外层以提高性能，也可能编织到织物本身中。该系统提供了一种非研磨性的除尘方法，这对于未来的火星任务至关重要。

然而，正如格里格斯总结的那样，该技术需要进一步完善才能用于未来的任务。此外，潜在的好处不仅仅限于宇航员的健康和清除宇航服上的灰尘：

“这个概念已经被成功地探索过，尽管从本质上讲，它损害了宇航服外层的完整性。因此，在应用于未来的火星任务之前，该技术需要进行完善。该技术为灰尘的机械方法提供了合适的替代方案。短期阿波罗任务中使用的除尘技术(刷洗和吸尘)，由于对宇航服的磨损作用，不适合较长的火星任务。因此，它也是一种非常有前途的技术，用于其他应用中的除尘，例如除尘太阳能电池板或光学设备，这对于未来的火星任务至关重要。”