Dacă există un lucru care ne-a învățat zeci de ani de funcționare în Low Earth Orbit (LEO), este că spațiul este plin de pericole. Pe lângă rafalele solare și radiațiile cosmice, unul dintre cele mai mari pericole provine de la resturile spațiale. Deși cele mai mari bucăți de gunoi (care măsoară mai mult de 10 cm în diametru) sunt cu siguranță o amenințare, adevărata preocupare sunt cele peste 166 de milioane de obiecte care au dimensiuni între 1 mm și 1 cm în diametru.
Deși mici, acești bucăți de gunoi pot atinge viteze de până la 56.000 km / h (34.800 mph) și sunt imposibil de urmărit folosind metodele actuale. Din cauza vitezei lor, ceea ce se întâmplă în momentul impactului nu a fost niciodată înțeles clar. Cu toate acestea, o echipă de cercetare din MIT a realizat recent prima analiză detaliată de mare viteză și analiză a procesului de impact al microparticulelor, care va veni la îndemână atunci când dezvoltă strategii de atenuare a deșeurilor spațiale.
Descoperirile lor sunt descrise într-o lucrare apărută recent în jurnal Comunicații Natura. Studiul a fost condus de Mostafa Hassani-Gangaraj, un postdoctoral asociat cu Departamentul de Știință și Inginerie a Materialelor (DMSE) al MIT. Lui i s-au alăturat prof. Christopher Schuh (șeful departamentului DMSE), precum și cercetătorul personalului David Veysset și prof. Keith Nelson de la Institutul pentru Nanotehnologii Soldate.
Impacturile de microparticule sunt utilizate pentru o varietate de aplicații industriale de zi cu zi, de la aplicarea acoperirilor și curățarea suprafețelor la materialele de tăiere și sablare (unde particulele sunt accelerate până la viteze supersonice). Dar până acum, aceste procese au fost controlate fără o înțelegere solidă a fizicii care stau la baza implicate.
De dragul studiului lor, Hassani-Gangaraj și echipa sa au căutat să efectueze primul studiu care examinează ce se întâmplă cu microparticulele și suprafețele în momentul impactului. Aceasta a prezentat două provocări majore: în primul rând, particulele implicate circulă în sus cu un kilometru pe secundă (3600 km / h; 2237 mph), ceea ce înseamnă că evenimentele de impact au loc extrem de rapid.
În al doilea rând, particulele în sine sunt atât de minuscule încât respectarea lor necesită instrumente extrem de sofisticate. Pentru a rezolva aceste provocări, echipa s-a bazat pe un testbed de impact microparticule dezvoltat la MIT, care este capabil să înregistreze videoclipuri cu impact de până la 100 de milioane de cadre pe secundă. Apoi au folosit un fascicul laser pentru a accelera particulele de staniu (măsurând aproximativ 10 micrometri în diametru) până la viteze de 1 km / s.
Un al doilea laser a fost folosit pentru a ilumina particulele zburătoare în timp ce au lovit suprafața de impact - o foaie de staniu. Ceea ce au descoperit a fost că atunci când particulele se deplasează cu viteze peste un anumit prag, există o scurtă perioadă de topire în momentul impactului, care joacă un rol crucial în erodarea suprafeței. Apoi au folosit aceste date pentru a prezice când particulele vor sări, vor lipi sau vor smulge materialul de pe o suprafață și vor slăbi.
În aplicațiile industriale, se presupune pe larg că viteze mai mari vor duce la rezultate mai bune. Aceste noi descoperiri contrazic acest lucru, arătând că există o regiune la viteze mai mari în care rezistența unei acoperiri sau suprafața unui material scade în loc să se îmbunătățească. După cum a explicat Hassani-Gangaraj într-un comunicat de presă al MIT, acest studiu este important, deoarece îi va ajuta pe oamenii de știință să prezice în ce condiții va avea loc eroziunea din impacturi:
„Pentru a evita acest lucru, trebuie să putem prevedea [viteza cu care se schimbă efectele]. Vrem să înțelegem mecanismele și condițiile exacte când se pot întâmpla aceste procese de eroziune. ”
Acest studiu ar putea arunca lumină asupra a ceea ce se întâmplă în situații necontrolate, ca atunci când microparticulele lovesc nave spațiale și sateliți. Având în vedere problema în creștere a resturilor spațiale - și a numărului de sateliți, nave spațiale și habitate spațiale care se preconizează a fi lansate în următorii ani - aceste informații ar putea juca un rol cheie în dezvoltarea strategiilor de atenuare a impactului.
Un alt beneficiu al acestui studiu a fost modelarea pe care a permis-o. În trecut, oamenii de știință s-au bazat pe analize postmortem ale testelor de impact, unde suprafața testului a fost studiată după ce a avut loc impactul. Deși această metodă a permis evaluarea daunelor, nu a dus la o mai bună înțelegere a dinamicii complexe implicate în proces.
În schimb, acest test s-a bazat pe imagistica de mare viteză care a captat topirea particulei și a suprafeței chiar în momentul impactului. Echipa a folosit aceste date pentru a dezvolta un model general pentru a prezice modul în care particulele de o anumită dimensiune și viteza dată ar răspunde - adică vor sări de pe o suprafață, s-ar lipi de ea sau le-ar eroda prin topire? Până acum, testele lor s-au bazat pe suprafețe metalice pure, dar echipa speră să efectueze teste suplimentare folosind aliaje și alte materiale.
De asemenea, intenționează să testeze impactul în mai multe unghiuri, mai degrabă decât impacturile directe pe care le-au testat până acum. „Putem extinde acest lucru la orice situație în care eroziunea este importantă”, a spus David Veysset. Scopul este de a dezvolta „o singură funcție care ne poate spune dacă eroziunea se va întâmpla sau nu. „Acest lucru ar putea ajuta inginerii] să proiecteze materiale pentru protecția împotriva eroziunii, indiferent dacă este în spațiu sau pe sol, oriunde doresc să reziste la eroziune”, a adăugat el.
Acest studiu și modelul rezultat ar putea fi foarte utile în anii și deceniile următoare. Este acceptat pe scară largă faptul că, dacă este lăsată necontrolată, problema resturilor spațiale va deveni exponențial mai gravă în viitorul apropiat. Din acest motiv, NASA, ESA și alte câteva agenții spațiale urmăresc activ strategii de „atenuare a deșeurilor spațiale” - care includ reducerea masei în regiunile cu densitate ridicată și proiectarea ambarcațiunilor cu tehnologii de reintrare sigure.
Există, de asemenea, mai multe idei pe tabelă pentru „eliminarea activă” în acest moment. Acestea variază de la lasere spațiale care ar putea arde resturi și remorchere spațiale magnetice, care ar putea să-l capteze către sateliți mici care ar putea să-l înarmeze și să-l deorbiteze sau să-l împingă în atmosfera noastră (unde s-ar arde) folosind fascicule de plasmă.
Aceste și alte strategii vor fi necesare într-o epocă în care Orbita Pământului de Jos nu este doar comercializată, ci și locuită; ca să nu mai vorbim de servirea ca punct de oprire pentru misiunile pe Lună, Marte și mai adânc în Sistemul Solar. Dacă benzile spațiale vor fi ocupate, acestea trebuie păstrate clare!
