导读 未来的火星宇航员,可能要面对一个看不见的敌人,粉尘。
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这张来自NASA“毅力号”火星车的360度全景图展示了内雷特瓦谷,这条布满尘土、早已干涸的漫长河道穿过火星杰泽罗陨石坑的西缘。图源:NASA/JPL-加州理工学院/亚利桑那州立大学/MSSS
NASA毅力号火星车在1645个火星日里,测量了粘在随车航天服材料样品上的细颗粒和超细颗粒粉尘,其中一些小到能钻进肺部、进入血液。这项研究于10月27日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
研究速览
▶ 观测时长:1645个火星日
▶ 测量仪器:毅力号机械臂上的PIXL(行星X射线岩石化学仪)
▶ 最小颗粒:约100纳米,比头发丝细约700倍
▶ 意义:火星上首次实地测量细颗粒和超细颗粒粉尘
▶ 论文:《美国国家科学院院刊》(PNAS),2026年10月27日
01 从阿波罗时代就头疼的“粉尘问题”
“NASA一直善于把挑战变成可行的解决方案,也善于创造性地利用现有数据,去回答它们原本没打算回答的问题。”NASA总部行星科学部代理主任林赛·海斯(Lindsay Hays)说。
“从阿波罗计划开始,粉尘就是地表探索的难题。毅力号为我们的工程师和航天医生提供了测量数据,让他们能在第一批美国宇航员登上火星之前,就改进现有设计。”
阿波罗任务期间,月尘曾经:
● 划伤航天服面罩;
● 损坏航天服外层材料;
● 破坏航天服的密封;
● 部分宇航员甚至出现了类似花粉症的症状。
02 火星尘和月尘有什么不同?
对比项
月尘
火星尘
颗粒形状
棱角锋利
被风吹撞磨圆,磨蚀性较低
化学成分
富含硫、氯、铁,二氧化硅更多
流动性
无大气,不会被风卷起
区域性和全球性沙尘暴让它在大气中反复循环
火星上的尘粒在风力驱动下相互碰撞,被“打磨”得更圆润,所以没有月尘那么刮人。但它化学性质更活泼,还能被沙尘暴卷着到处跑——这是另一种麻烦。
03 毅力号身上,竟带着航天服样品
毅力号的主业是寻找远古微生物生命的迹象,但它其实还带着一批“为人类登陆做准备”的特殊装备。
在机械臂上的SHERLOC仪器(用拉曼和荧光扫描宜居环境中的有机物和化学物质)的校准靶上,装着5块航天服材料样品,每块边长约20毫米。NASA把它们送上火星,就是为了研究航天服材料在火星表面的耐受情况。
另一台负责这次粉尘测量的仪器PIXL,它的校准靶上则装着一块特氟龙和一块玄武岩玻璃。
巧妙之处 特氟龙里没有任何PIXL能直接探测到的元素。所以,X射线光谱仪从这块样品上读到的任何元素信号,都只能来自落在上面的粉尘——它就成了一块天然的“集尘板”。
团队还分析了SHERLOC校准靶上的特氟龙和Vectran两块样品,这两种材料都用于航天服。
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这张带标注的合成图像显示了NASA毅力号火星车上SHERLOC(利用拉曼光谱和荧光技术扫描宜居环境中的有机物和化学物质)仪器校准目标所在的位置。右侧是该校准目标的特写。图源:NASA/JPL-加州理工学院
“毅力号的主要任务是寻找远古微生物生命的迹象,但这次任务在设计之初就考虑了为人类探索者做准备,”NASA喷气推进实验室(JPL)的毅力号项目科学家凯蒂·斯塔克·摩根(Katie Stack Morgan)说,“包括MOXIE制氧实验、机智号直升机这样的技术验证,还有这些航天服样品。”
04 细颗粒、超细颗粒,都测到了
此前火星上的测量,最小只能分辨到约3微米的尘粒。这一次,PIXL探测到了两类更小的颗粒:
类型
大小
对比
细颗粒
小于 2.5 微米
人类头发约 70 微米粗
超细颗粒
约 100 纳米
比头发丝细约 700 倍
具体来看:
● PIXL的特氟龙靶和SHERLOC的Vectran样品上,颗粒平均约2微米;
● PIXL的玄武岩玻璃和SHERLOC的特氟龙样品上,颗粒小到约100~300纳米。
为什么不同材料粘的尘不一样?
答案是静电。尘粒在空中碰撞时会带上电荷,校准靶上不同的材料会吸引不同大小的颗粒。
更关键的是:最细的颗粒在多年的行驶和钻探中一直牢牢粘着。而像特氟龙这样的有机聚合物,恰恰是航天服外层的常用材料——结果表明,它们很容易吸附细粉尘。
— 大团的“火星尘团”会被抖掉,最小的颗粒却留了下来 —
“火星上存在这种超细尺度的粉尘,很早就有人预测过,PIXL让我们有机会在火星上直接测量它,”论文第一作者、圣路易斯华盛顿大学的毅力号科学家斯科特·范邦梅尔(Scott VanBommel)说,“较大的尘团会随时间被抖落,但最小的颗粒会留下来,而它们对生命保障系统的挑战最大。”
化学成分方面,这些粉尘与此前任务测得的富铁、富硫成分一致。PIXL还发现它们富含磷,并检测到了硫酸钙的迹象。
05 这些粉尘对人有多危险?
在地球上,小于2.5微米的空气颗粒物——也就是我们熟悉的PM2.5——与多种健康危害有关,因为它们能深入肺部、进入血液。研究还发现,100纳米以下的超细颗粒甚至能沿着嗅觉神经从鼻腔进入大脑。
而火星尘还有自己的“特产”:
● 主要成分是硅酸盐矿物;
● 含有高氯酸盐,可能干扰甲状腺功能;
● 含有活性铁,会造成细胞损伤。
科学家认为,火星尘的健康风险取决于粉尘的量和暴露时间。
PIXL的结果是火星上首次实地测量细颗粒和超细颗粒,可以帮助制定宇航员舱内粉尘暴露限值、养成安全习惯,以及找到在火星探索中清除粉尘的方法。
06 怎么把粉尘挡在门外?
研究发现,有些材料比其他材料更不容易粘尘,这可以指导未来航天服和居住舱的选材及防护涂层设计。
一些设计也能减少粉尘进入宇航员的生活空间:
● 航天服舱口(suitport):航天服挂在居住舱外面,宇航员从背后直接“钻”进去,脏兮兮的航天服永远不进屋;
● 双舱气闸:多一道隔离,多一层过滤。
NASA也已经在月球上提前演练:
● 2025年3月,NASA在月球上测试了电动除尘罩,用电场把月壤从玻璃和散热器表面清除。它由肯尼迪航天中心研发,搭乘萤火虫航天公司的“蓝色幽灵”1号着陆器登月;
● 休斯敦约翰逊航天中心的工程师,正在月球开发与测试设施里用真空舱和模拟月壤,测试航天服部件、机构,以及一款手持式月球静电除尘工具,为阿耳忒弥斯登月任务做准备。
07 写在最后
一台寻找远古生命的火星车,顺手帮未来的宇航员测了一回“空气质量”。
这也是航天探索的有趣之处:一份数据,往往能回答它原本没打算回答的问题。
— 登上火星之前,人类得先学会和火星尘相处 —
从阿波罗的月尘,到毅力号的火星尘,人类正在一点点摸清这个看不见的对手。等宇航员真正踏上火星时,他们的航天服、居住舱和清洁流程里,都会有这次测量的影子。
这里是火星日报,我们下期见。
如果让你设计火星航天服,你会怎么对付粉尘?留言区聊聊。
参考
https://www.nasa.gov/missions/mars-2020-perseverance/nasas-perseverance-offers-clues-to-protect-crews-from-mars-dust/
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