隨著(zhù)深空探測技術(shù)的持續進(jìn)步，人類(lèi)探月活動(dòng)正從“月球認知"向“認知與利用并進(jìn)"的關(guān)鍵階段轉變。月球土壤研究作為深化月球資源調查、推進(jìn)月球資源開(kāi)發(fā)利用、增強地外天體探測能力的基礎與關(guān)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(jìn)步和國際影響力提升具有極其重要的意義。

STRATEGIC

月壤研究的戰略性意義

月球反照效應，即相角接近0°時(shí)亮度顯著(zhù)上升的現象。該效應對于遙感技術(shù)研究極為關(guān)鍵，因此，深入理解行星月壤雙向反射率的特性至關(guān)重要。近年來(lái)，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(shí)的上升。進(jìn)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(zhù)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(dòng)、月球殼幔的物質(zhì)組成、水和揮發(fā)分的分布與來(lái)源、月球磁場(chǎng)演變、月表的太空風(fēng)化作用、隕石撞擊歷史和月球資源等。一種常見(jiàn)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(xiàn)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(lèi)似塔或城堡的堆積形態(tài)，主要由平均粒徑在60至80μm、高孔隙率的未固結顆粒構成，被稱(chēng)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(dòng)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(wù)。

PRECISE

3D打印精準重現月壤孔隙

仙堡結構與月球的反照效應緊密相關(guān)，然而，由于地球重力的作用，在實(shí)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(lái)自韓國天文和空間科學(xué)研究所(KASI)設計了一個(gè)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(jiǎn)化為樹(shù)狀形狀，其表面多孔構造將以樹(shù)的數量、樹(shù)干最大長(cháng)度及分支最大角度來(lái)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。

“仙堡結構"是月壤顆粒呈塔狀堆疊的排列方式，但由于技術(shù)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(shù)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(wèn)題。本研究采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)，利用其設計生產(chǎn)復雜結構的優(yōu)勢，提升了機械性能和打印精度，減少了實(shí)驗中對樣本的損壞或干擾。

研究團隊首先設計了一種樹(shù)形結構模型，由三個(gè)相接的六邊形柱構成，其中一柱模擬樹(shù)干，其余兩柱模擬樹(shù)枝，相互連接。樹(shù)干與樹(shù)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(shù)脂，通過(guò)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(guò)分析樣品孔隙率與反射率S(α)的切線(xiàn)斜率，S(α)反映了反照效應的強度。研究還將結果與月球觀(guān)測數據進(jìn)行了對比，發(fā)現多孔樣品的S(α)值較大。研究中，分支長(cháng)度和附著(zhù)角度的影響較小?？紫堵试?.78至0.82之間的樣品與月球觀(guān)測數據中的S(α)值相似，對應月壤的平均孔隙率?？傮w而言，研究發(fā)現孔隙率與反照效應可能存在關(guān)聯(lián)，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(gè)平場(chǎng)圖像，并生成一個(gè)主平場(chǎng)圖像。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)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(guò)3D打印技術(shù)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(xiàn)深入并多次反射，尤其在短樣本（lmax = 1.0）中更為顯著(zhù)。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(xiàn)，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(shù)制備簡(jiǎn)化的仙堡結構模型，通過(guò)改變樹(shù)木數量、最大樹(shù)干長(cháng)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(xiàn)。結果顯示，相位角接近零時(shí)，樣品反照率提升，特別是樹(shù)木少、分支短的樣本，最大分支角度對反照率影響不顯著(zhù)。樣品孔隙度在0.78至0.82范圍內時(shí)，S(α)值與月球玄武巖和高地相似，為月壤反照現象研究開(kāi)辟新路徑。