Jeśli nauczyła nas dziesiątki lat działania na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), to kosmos jest pełen zagrożeń. Oprócz rozbłysków słonecznych i promieniowania kosmicznego, jednym z największych niebezpieczeństw jest gruz kosmiczny. Podczas gdy największe kawałki śmieci (o średnicy większej niż 10 cm) są z pewnością zagrożeniem, prawdziwym problemem jest ponad 166 milionów obiektów o średnicy od 1 mm do 1 cm średnicy.
Choć niewielkie, te śmieci mogą osiągać prędkość do 56 000 km / h (34 800 mil na godzinę) i nie można ich śledzić przy użyciu obecnych metod. Ze względu na ich szybkość to, co dzieje się w momencie uderzenia, nigdy nie zostało jasno zrozumiane. Jednak zespół badawczy z MIT niedawno przeprowadził pierwsze szczegółowe szybkie obrazowanie i analizę procesu zderzenia mikrocząstek, które przydadzą się przy opracowywaniu strategii ograniczania zanieczyszczeń kosmicznych.
Ich odkrycia opisano w artykule, który niedawno ukazał się w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza. Badanie prowadzone było przez Mostafa Hassani-Gangaraj, doktora habilitowanego z Departamentem Inżynierii Materiałowej MIT (DMSE). Dołączył do niego prof. Christopher Schuh (kierownik działu DMSE), a także badacz sztabowy David Veysset i prof. Keith Nelson z Instytutu Nanotechnologii MIT.
Uderzenia mikrocząstkami są stosowane w różnych codziennych zastosowaniach przemysłowych, od nakładania powłok i czyszczenia powierzchni do cięcia materiałów i piaskowania (gdzie cząstki są przyspieszane do prędkości naddźwiękowych). Ale do tej pory procesy te były kontrolowane bez dokładnego zrozumienia leżącej u ich podstaw fizyki.
Ze względu na swoje badania Hassani-Gangaraj i jego zespół postanowili przeprowadzić pierwsze badanie, które bada, co dzieje się z mikrocząstkami i powierzchniami w momencie uderzenia. Stanowiło to dwa główne wyzwania: po pierwsze, cząstki poruszały się z prędkością jednego kilometra na sekundę (3600 km / h; 2237 mph), co oznacza, że zdarzenia uderzeniowe zachodzą niezwykle szybko.
Po drugie, same cząsteczki są tak małe, że ich obserwacja wymaga bardzo wyrafinowanych instrumentów. Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół polegał na testowanym uderzeniu mikrocząstkami opracowanym w MIT, który jest w stanie rejestrować filmy uderzeniowe z prędkością do 100 milionów klatek na sekundę. Następnie wykorzystali wiązkę laserową do przyspieszenia cząstek cyny (o średnicy około 10 mikrometrów) do prędkości 1 km / s.
Drugi laser został użyty do oświetlenia latających cząstek uderzających w powierzchnię uderzenia - arkusz cyny. Odkryli, że gdy cząstki poruszają się z prędkością przekraczającą określony próg, w chwili uderzenia następuje krótki okres topnienia, co odgrywa kluczową rolę w erozji powierzchni. Następnie wykorzystali te dane, aby przewidzieć, kiedy cząstki odskoczą, przykleją się lub zrzucą materiał z powierzchni i osłabią ją.
W zastosowaniach przemysłowych powszechnie przyjmuje się, że wyższe prędkości doprowadzą do lepszych wyników. Te nowe ustalenia zaprzeczają temu, pokazując, że istnieje obszar przy wyższych prędkościach, w którym wytrzymałość powłoki lub powierzchni materiału zmniejsza się zamiast poprawiać. Jak wyjaśnił Hassani-Gangaraj w komunikacie prasowym MIT, badanie to jest ważne, ponieważ pomoże naukowcom przewidzieć, w jakich warunkach nastąpi erozja spowodowana uderzeniami:
„Aby tego uniknąć, musimy być w stanie przewidzieć [szybkość zmian efektów]. Chcemy zrozumieć mechanizmy i dokładne warunki, w których mogą wystąpić te procesy erozyjne. ”
Badanie to może rzucić światło na to, co dzieje się w niekontrolowanych sytuacjach, na przykład gdy mikrocząstki uderzają w statki kosmiczne i satelity. Biorąc pod uwagę rosnący problem odpadów kosmicznych - oraz liczbę satelitów, statków kosmicznych i siedlisk kosmicznych, które mają zostać wystrzelone w nadchodzących latach - informacje te mogą odegrać kluczową rolę w opracowaniu strategii łagodzenia skutków.
Kolejną zaletą tego badania było dozwolone przez niego modelowanie. W przeszłości naukowcy polegali na pośmiertnych analizach testów udarności, w których badano powierzchnię testową po uderzeniu. Chociaż ta metoda pozwoliła na ocenę szkód, nie doprowadziła do lepszego zrozumienia złożonej dynamiki procesu.
W przeciwieństwie do tego, ten test polegał na obrazowaniu z dużą prędkością, które uchwyciło stopienie cząsteczki i powierzchni w momencie uderzenia. Zespół wykorzystał te dane do opracowania ogólnego modelu, aby przewidzieć, jak zareagują cząstki o danym rozmiarze i danej prędkości - tj. Czy odbijają się od powierzchni, przylegają do niej lub erodują przez stopienie? Jak dotąd ich testy opierały się na czystych metalowych powierzchniach, ale zespół ma nadzieję na przeprowadzenie dalszych testów z wykorzystaniem stopów i innych materiałów.
Zamierzają również testować uderzenia pod różnymi kątami, zamiast uderzeń prostych, które testowali do tej pory. „Możemy to rozszerzyć na każdą sytuację, w której erozja jest ważna” - powiedział David Veysset. Celem jest opracowanie „jednej funkcji, która może nam powiedzieć, czy dojdzie do erozji, czy nie. [To mogłoby pomóc inżynierom] w projektowaniu materiałów do ochrony przed erozją, czy to w kosmosie, czy na ziemi, wszędzie tam, gdzie chcą się oprzeć erozji ”- dodał.
To badanie i wynikający z niego model prawdopodobnie będą bardzo przydatne w nadchodzących latach i dekadach. Powszechnie przyjmuje się, że jeśli pozostanie niezaznaczone, problem kosmicznych śmieci stanie się wykładniczo gorszy w najbliższej przyszłości. Z tego powodu NASA, ESA i kilka innych agencji kosmicznych aktywnie realizują strategie „ograniczania zanieczyszczenia kosmicznego” - które obejmują zmniejszenie masy w regionach o dużej gęstości i projektowanie jednostek z wykorzystaniem bezpiecznych technologii ponownego wejścia.
W tej chwili jest też kilka pomysłów na „aktywne usuwanie”. Obejmują one lasery kosmiczne, które mogłyby spalić gruz i holowniki magnetyczne, które mogłyby go uchwycić, a także małe satelity, które mogłyby harpunować i deorbitować go lub popychać go do naszej atmosfery (gdzie spłonąłby) za pomocą wiązek plazmy.
Te i inne strategie będą konieczne w epoce, w której Niska Ziemska Orbita jest nie tylko skomercjalizowana, ale także zamieszkana; nie wspominając już o tym, że służy jako punkt międzylądowania dla misji na Księżyc, Marsa i głębiej w Układ Słoneczny. Jeśli pasy kosmiczne będą zajęte, muszą być wolne!
