基(ji)於(yu)3D打印(yin)的(de)高(gao)孔隙率月壤(rang)三(san)維(wei)模(mo)擬物在小相位(wei)角(jiao)下(xia)的(de)光散射特(te)性研(yan)究

隨著(zhe)深(shen)空探測(ce)技(ji)術(shu)的(de)持續進(jin)步，人(ren)類(lei)探(tan)月(yue)活(huo)動正(zheng)從(cong)“月(yue)球(qiu)認(ren)知"向“認(ren)知與利用(yong)並(bing)進(jin)"的(de)關(guan)鍵(jian)階段(duan)轉(zhuan)變(bian)。月(yue)球(qiu)土(tu)壤研(yan)究作(zuo)為深(shen)化月(yue)球(qiu)資源(yuan)調查(zha)、推(tui)進(jin)月球(qiu)資源(yuan)開發(fa)利用(yong)、增強(qiang)地(di)外天體探測(ce)能(neng)力的(de)基礎與關(guan)鍵(jian)，已(yi)成為(wei)全球(qiu)航(hang)天大(da)國競相爭奪的(de)科技(ji)戰略高(gao)地(di)，對國家(jia)科(ke)技(ji)進(jin)步和(he)國際影響力提升具有(you)極(ji)其重要(yao)的(de)意義。

STRATEGIC

月(yue)壤研究的(de)戰略性(xing)意義

月(yue)球(qiu)反(fan)照(zhao)效(xiao)應，即相角(jiao)接(jie)近(jin)0°時亮(liang)度顯(xian)著(zhu)上升(sheng)的(de)現象。該(gai)效(xiao)應對於(yu)遙感技(ji)術(shu)研(yan)究極(ji)為(wei)關(guan)鍵(jian)，因(yin)此，深(shen)入理解(jie)行星(xing)月壤(rang)雙向反(fan)射率的(de)特(te)性至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。近(jin)年來(lai)，人(ren)們(men)壹直(zhi)認(ren)為月(yue)球(qiu)的(de)反(fan)照(zhao)效(xiao)應主要(yao)由(you)陰(yin)影遮擋(dang)引(yin)起(qi)，但(dan)最近(jin)有研(yan)究表(biao)明，這種現象的(de)主要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)相幹後向散射，這壹(yi)結(jie)論基(ji)於(yu)月球(qiu)土(tu)壤樣(yang)本(ben)反(fan)射率中(zhong)圓偏振(zhen)率在接(jie)近(jin)零相位(wei)角(jiao)時的(de)上升。進(jin)壹步(bu)的(de)分(fen)析(xi)表(biao)明，盡(jin)管(guan)相幹後向散射很(hen)重要(yao)，但(dan)陰(yin)影遮擋(dang)也起(qi)著(zhe)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)，因(yin)此，研(yan)究月(yue)壤可以更好的(de)了解(jie)月球(qiu)反(fan)照(zhao)效(xiao)應。

月壤(rang)即(ji)月球(qiu)上的(de)顆粒層，記(ji)錄(lu)了(le)月(yue)球(qiu)形成演(yan)化的(de)許多重要(yao)信(xin)息(xi)，包(bao)括(kuo)月球(qiu)形成和(he)演(yan)化的(de)年代(dai)、月(yue)球(qiu)火山活(huo)動(dong)、月(yue)球(qiu)殼幔的(de)物質組(zu)成、水和揮(hui)發(fa)分(fen)的(de)分(fen)布(bu)與來(lai)源(yuan)、月(yue)球(qiu)磁(ci)場(chang)演變、月表(biao)的(de)太空風化作(zuo)用(yong)、隕(yun)石(shi)撞擊(ji)歷史和月球(qiu)資源(yuan)等(deng)。壹種常見(jian)的(de)研究月(yue)壤特(te)性的(de)方法是(shi)測(ce)定其反(fan)射率，該反(fan)射率是指(zhi)月(yue)壤散射光(guang)線與光源(yuan)亮(liang)度之比，其值隨相位(wei)角(jiao)（即(ji)光源(yuan)、目(mu)標與探測(ce)器(qi)之間(jian)的(de)角(jiao)度）變化而(er)變(bian)化。

月(yue)壤(rang)結(jie)構(gou)是(shi)壹(yi)種類(lei)似(si)塔(ta)或城(cheng)堡的(de)堆積形態，主要(yao)由(you)平(ping)均(jun)粒(li)徑(jing)在(zai)60至80μm、高(gao)孔隙率的(de)未(wei)固(gu)結顆粒構(gou)成，被(bei)稱為“仙(xian)堡結(jie)構(gou)"。由(you)於(yu)仙堡結(jie)構(gou)在(zai)低重力下顆粒弱(ruo)結(jie)合，易受(shou)宇(yu)航(hang)員(yuan)活動及火箭排(pai)氣(qi)影響而(er)破(po)壞。因(yin)此，在(zai)地(di)球(qiu)模(mo)擬月(yue)球(qiu)低重力條(tiao)件(jian)下(xia)制備(bei)仙(xian)堡結(jie)構(gou)，需(xu)避(bi)免(mian)顆粒材(cai)料壓(ya)縮並(bing)保持(chi)結構(gou)完(wan)整(zheng)性(xing)，是(shi)壹(yi)項(xiang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰的(de)任務。

PRECISE

3D打印(yin)精(jing)準重(zhong)現(xian)月(yue)壤(rang)孔隙

仙(xian)堡結(jie)構(gou)與月球(qiu)的(de)反(fan)照(zhao)效(xiao)應緊密(mi)相關(guan)，然而，由於(yu)地(di)球(qiu)重力的(de)作(zuo)用(yong)，在實(shi)驗室(shi)中(zhong)復(fu)現這壹(yi)結(jie)構(gou)以(yi)研(yan)究月(yue)球(qiu)仙堡結(jie)構(gou)的(de)物理特(te)性是(shi)尤(you)其困難(nan)的(de)。來(lai)自(zi)韓國天文和空間(jian)科學(xue)研究所(KASI)設(she)計(ji)了壹(yi)個(ge)用(yong)於(yu)3D打印(yin)的(de)月球(qiu)仙堡結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)。該模(mo)型(xing)具有高(gao)孔隙率，並(bing)且被(bei)簡(jian)化為(wei)樹(shu)狀(zhuang)形狀(zhuang)，其表(biao)面(mian)多孔構(gou)造將(jiang)以樹的(de)數(shu)量、樹幹(gan)最大(da)長(chang)度及分(fen)支最大(da)角(jiao)度來(lai)描(miao)述。這壹(yi)研(yan)究成果(guo)以(yi)“Light Scattering From High‐Porosity 3D Simulants of the Lunar Regolith at Small Phase Angles"為(wei)題(ti)，發(fa)表(biao)在(zai)《JGR Planets》上(shang)。

“仙堡結(jie)構(gou)"是(shi)月(yue)壤(rang)顆(ke)粒(li)呈(cheng)塔(ta)狀(zhuang)堆疊的(de)排(pai)列(lie)方式，但(dan)由於(yu)技(ji)術(shu)限(xian)制(zhi)，復(fu)制這種結構(gou)頗(po)具挑(tiao)戰。盡(jin)管(guan)粘結(jie)劑噴射和(he)激(ji)光(guang)熔融等(deng)打印(yin)技(ji)術(shu)已(yi)獲(huo)驗證，但(dan)仍存在(zai)機械(xie)性(xing)能不足、孔隙率偏高(gao)和表(biao)面(mian)質量不佳(jia)等(deng)問(wen)題(ti)。本(ben)研究采(cai)用(yong)摩(mo)方精(jing)密(mi)面(mian)投影微(wei)立(li)體(ti)光(guang)刻（PμSL）3D打印(yin)技(ji)術(shu)，利用(yong)其設(she)計(ji)生(sheng)產(chan)復(fu)雜結(jie)構(gou)的(de)優(you)勢(shi)，提(ti)升(sheng)了(le)機械(xie)性(xing)能和打印(yin)精(jing)度，減(jian)少(shao)了(le)實(shi)驗中(zhong)對樣(yang)本(ben)的(de)損壞或幹(gan)擾(rao)。

研究團隊首(shou)先設(she)計(ji)了壹(yi)種樹形結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)，由三(san)個(ge)相接(jie)的(de)六邊形柱(zhu)構(gou)成，其中(zhong)壹柱(zhu)模(mo)擬樹(shu)幹(gan)，其余兩柱模(mo)擬樹(shu)枝(zhi)，相互連(lian)接(jie)。樹幹與樹枝的(de)幾何參數(shu)隨機設(she)定，以(yi)模(mo)擬月(yue)壤(rang)顆(ke)粒的(de)隨機排(pai)列(lie)。團隊選用(yong)摩(mo)方精(jing)密(mi)黑(hei)色HTL樹(shu)脂(zhi)，通過(guo)microArch® S240（精(jing)度：10μm）3D打印(yin)設(she)備(bei)，成功制(zhi)得(de)仙(xian)堡結(jie)構(gou)模(mo)擬物（圖1）。

隨後，研究團隊在小相角(jiao)範(fan)圍1.4°至5.0°內(nei)測(ce)量了仙(xian)堡結(jie)構(gou)模(mo)擬物的(de)反(fan)射率。通過(guo)分(fen)析(xi)樣(yang)品(pin)孔隙率與反(fan)射率S(α)的(de)切線斜(xie)率，S(α)反(fan)映(ying)了反(fan)照(zhao)效(xiao)應的(de)強(qiang)度。研究還(hai)將(jiang)結果(guo)與月球(qiu)觀測(ce)數(shu)據(ju)進(jin)行了(le)對比(bi)，發(fa)現(xian)多孔樣(yang)品(pin)的(de)S(α)值較大(da)。研(yan)究中(zhong)，分(fen)支長(chang)度和附(fu)著(zhe)角(jiao)度的(de)影響較(jiao)小。孔隙率在0.78至(zhi)0.82之間(jian)的(de)樣(yang)品(pin)與月球(qiu)觀測(ce)數(shu)據(ju)中(zhong)的(de)S(α)值相似(si)，對應月壤(rang)的(de)平均(jun)孔隙率。總體(ti)而言，研(yan)究發(fa)現(xian)孔隙率與反(fan)照(zhao)效(xiao)應可能(neng)存在(zai)關(guan)聯(lian)，為(wei)探(tan)究月(yue)球(qiu)反(fan)照(zhao)效(xiao)應提供(gong)了(le)新(xin)的(de)研究途(tu)徑(jing)。

該(gai)研究的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理順(shun)序(xu)如下：預(yu)處(chu)理、確定要(yao)合並(bing)的(de)圖像幀(zhen)數(shu)、圖像合並(bing)和孔徑(jing)光(guang)度測(ce)量。首(shou)先，研(yan)究團隊使用(yong)積分(fen)球(qiu)捕獲(huo)壹個(ge)平場(chang)圖像，並(bing)生(sheng)成壹(yi)個(ge)主平(ping)場(chang)圖像。在(zai)整(zheng)個(ge)實(shi)驗過程(cheng)中(zhong)，持續(xu)拍(pai)攝(she)暗圖像，保(bao)持(chi)相機溫(wen)度為5°C。

反(fan)照(zhao)效(xiao)應源(yuan)於(yu)月壤(rang)微(wei)結(jie)構(gou)的(de)多種屬性之間(jian)的(de)相互作(zuo)用(yong)。本(ben)研究通(tong)過3D打印(yin)技(ji)術(shu)精(jing)確控(kong)制(zhi)月(yue)壤模(mo)擬物的(de)孔隙率，以減(jian)少(shao)影響反(fan)照(zhao)效(xiao)應的(de)變量。這種高(gao)孔隙率結構(gou)允(yun)許光線深(shen)入並(bing)多次反(fan)射，尤(you)其在短樣(yang)本(ben)（lmax = 1.0）中(zhong)更為(wei)顯(xian)著(zhu)。圖4-7展示(shi)了(le)這壹(yi)趨(qu)勢(shi)，短且孔隙率高(gao)的(de)樣(yang)本(ben)顯(xian)示(shi)出(chu)更(geng)高(gao)的(de)反(fan)射率和更(geng)陡(dou)的(de)S(α)斜(xie)率。圖4-6表(biao)明，大(da)部(bu)分(fen)樣(yang)本(ben)遵循(xun)典(dian)型(xing)的(de)相位(wei)曲線，即(ji)反(fan)射率隨相位(wei)角(jiao)的(de)減(jian)小而增加。

總結(jie)：本(ben)研究采(cai)用(yong)摩(mo)方精(jing)密(mi)3D打印(yin)技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)簡化的(de)仙堡結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)，通過改(gai)變樹木數(shu)量、最大(da)樹(shu)幹(gan)長(chang)度和最大(da)分(fen)支角(jiao)度，分(fen)析(xi)了(le)小相位(wei)角(jiao)（0°至(zhi)5°）下的(de)反(fan)照(zhao)率變化，並(bing)利用(yong)模(mo)擬物成功復(fu)現了(le)相位(wei)曲線。結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)，相位(wei)角(jiao)接(jie)近(jin)零時，樣(yang)品(pin)反(fan)照(zhao)率提升(sheng)，特(te)別是(shi)樹木少、分(fen)支短的(de)樣(yang)本(ben)，最大(da)分(fen)支角(jiao)度對反(fan)照(zhao)率影響不(bu)顯(xian)著(zhu)。樣(yang)品(pin)孔隙度在0.78至(zhi)0.82範(fan)圍內(nei)時，S(α)值與月球(qiu)玄武巖和(he)高(gao)地(di)相似(si)，為月(yue)壤反(fan)照(zhao)現(xian)象研(yan)究開辟新(xin)路(lu)徑(jing)。