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更新時間：2024-11-04
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隨著深空探測技術的持續進步，人類探月活動正從“月球認知"向“認知與利用并進"的關鍵階段轉變。月球土壤研究作為深化月球資源調查、推進月球資源開發利用、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。
月球反照效應，即相角接近0°時亮度顯著上升的現象。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，這種現象的主要原因是相干后向散射，這一結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。
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、月球殼幔的物質組成、水和揮發分的分布與來源、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。
月壤結構是一種類似塔或城堡的堆積形態，主要由平均粒徑在60至80μm、高孔隙率的未固結顆粒構成，被稱為“仙堡結構"。由于仙堡結構在低重力下顆粒弱結合，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構，需避免顆粒材料壓縮并保持結構完整性，是一項具有挑戰的任務。
仙堡結構與月球的反照效應緊密相關，然而，由于地球重力的作用，在實驗室中復現這一結構以研究月球仙堡結構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打印的月球仙堡結構模型。該模型具有高孔隙率，并且被簡化為樹狀形狀，其表面多孔構造將以樹的數量、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，發表在《JGR Planets》上。
“仙堡結構"是月壤顆粒呈塔狀堆疊的排列方式，但由于技術限制，復制這種結構頗具挑戰。盡管粘結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，利用其設計生產復雜結構的優勢，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構模型，由三個相接的六邊形柱構成，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，成功制得仙堡結構模擬物（圖1）。
隨后，研究團隊在小相角范圍1.4°至5.0°內測量了仙堡結構模擬物的反射率。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。研究還將結果與月球觀測數據進行了對比，發現多孔樣品的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據中的S(α)值相似，對應月壤的平均孔隙率。總體而言，研究發現孔隙率與反照效應可能存在關聯，為探究月球反照效應提供了新的研究途徑。
該研究的數據處理順序如下：預處理、確定要合并的圖像幀數、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，持續拍攝暗圖像，保持相機溫度為5°C。
反照效應源于月壤微結構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。這種高孔隙率結構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。
總結：本研究采用摩方精密3D打印技術制備簡化的仙堡結構模型，通過改變樹木數量、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了相位曲線。結果顯示，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范圍內時，S(α)值與月球玄武巖和高地相似，為月壤反照現象研究開辟新路徑。
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