Ако има едно нещо, на което десетилетия на работа в ниската земна орбита (LEO) са ни научили, това е, че пространството е пълно с опасности. Освен слънчевите пламъци и космическото излъчване, една от най-големите опасности идва от космическите отломки. Докато най-големите парчета боклуци (които измерват диаметър повече от 10 см) със сигурност представляват заплаха, истинската загриженост е повече от 166 милиона предмета, които варират в размер от 1 мм до 1 см в диаметър.
Макар и мънички, тези парчета боклуци могат да достигнат скорост до 56 000 км / ч (34 800 мили / ч) и са невъзможни за проследяване с помощта на съвременни методи. Поради бързината им това, което се случва в момента на удара, никога не е било ясно разбрано. Наскоро обаче изследователски екип от MIT проведе първото подробно високоскоростно изобразяване и анализ на процеса на удар от микрочастици, което ще бъде полезно при разработването на стратегии за намаляване на космическите отпадъци.
Техните открития са описани в документ, който наскоро се появи в списанието Природни комуникации, Изследването е ръководено от Мостафа Хасани-Гангарадж, докторантура към отдела за материали и инженерни науки (MMSE) на MIT. Към него се присъединиха проф. Кристофър Шух (ръководител на катедрата DMSE), както и изследователят на персонала Дейвид Вейсет и проф. Кийт Нелсън от Института за войнишки нанотехнологии на MIT.
Въздействието на микрочастиците се използва за различни ежедневни индустриални приложения, като се започне от нанасяне на покрития и почистващи повърхности до режещи материали и пясъкоструене (където частиците се ускоряват до свръхзвукови скорости). Но досега тези процеси са били контролирани без солидно разбиране на основните физики, които участват.
Заради своето проучване Хасани-Гангарадж и неговият екип се опитаха да проведат първото проучване, което изследва какво се случва с микрочастиците и повърхностите в момента на удара. Това представи две основни предизвикателства: първо, участващите частици пътуват с по-висок километър в секунда (3600 км / ч; 2237 мили / ч), което означава, че ударните събития се провеждат изключително бързо.
Второ, самите частици са толкова мънички, че тяхното наблюдение изисква много сложни инструменти. За да се справи с тези предизвикателства, екипът разчита на тестова повърхност за микрочастици, разработена в MIT, която е способна да записва въздействащи видеоклипове до 100 милиона кадъра в секунда. След това използваха лазерен лъч, за да ускорят калаените частици (с диаметър около 10 микрометра) до скорост от 1 км / сек.
Втори лазер е използван за осветяване на летящите частици, докато те удрят повърхността на удара - лист калай. Това, което те откриха, е, че когато частиците се движат със скорост над определен праг, има кратък период на топене в момента на удара, който играе решаваща роля при ерозия на повърхността. След това те са използвали тези данни, за да предскажат кога частиците ще отскочат, залепят или избият материал от повърхността и ще го отслабят.
В индустриалните приложения се приема, че по-високите скорости ще доведат до по-добри резултати. Тези нови открития противоречат на това, показвайки, че има област с по-високи скорости, където здравината на покритието или повърхността на материал намалява, вместо да се подобрява. Както Хасани-Гангарадж обясни в прессъобщение на MIT, това проучване е важно, защото ще помогне на учените да предвидят при какви условия ще се извърши ерозия от въздействия:
„За да избегнем това, трябва да можем да предвидим [скоростта, с която се променят ефектите]. Искаме да разберем механизмите и точните условия, когато тези ерозионни процеси могат да се случат. “
Това проучване може да хвърли светлина върху случващото се в неконтролирани ситуации, например когато микрочастиците нанасят удари върху космически кораби и спътници. Предвид нарастващия проблем с космическите отломки - и броя на спътниците, космическите кораби и космическите местообитания, които се очаква да бъдат изстреляни през следващите години - тази информация може да играе ключова роля в разработването на стратегии за намаляване на въздействието.
Друго предимство на това изследване беше моделирането, което то позволява. В миналото учените са разчитали на следсмъртни анализи на ударни тестове, където тестовата повърхност е била проучена след извършването на въздействието. Въпреки че този метод позволяваше оценки на щетите, той не доведе до по-добро разбиране на сложната динамика, участваща в процеса.
За разлика от това, този тест разчита на високоскоростни изображения, които улавят топенето на частицата и повърхността в самия момент на удара. Екипът използва тези данни, за да разработи общ модел, за да предвиди как частиците с даден размер и дадена скорост ще реагират - т.е. дали те ще отскочат от повърхността, ще се придържат към нея или ще я ерозират чрез стопяване? Досега тестовете им са разчитали на чисти метални повърхности, но екипът се надява да проведе допълнителни тестове с помощта на сплави и други материали.
Те също възнамеряват да тестват ударите под различни ъгли, а не правите въздействия, които тестваха досега. "Можем да разширим това за всяка ситуация, при която ерозията е важна", каза Дейвид Вейсет. Целта е да се развие „една функция, която може да ни каже дали ерозията ще се случи или не. [Това може да помогне на инженерите] да проектират материали за защита от ерозия, независимо дали са в космоса или на земята, където искат да се противопоставят на ерозията “, добави той.
Това проучване и произтичащият от него модел вероятно ще дойдат много полезно през следващите години и десетилетия. Широко прието е, че ако бъде оставен без проверка, проблемът с космическите отломки ще се задълбочи експоненциално в близко бъдеще. Поради тази причина НАСА, ЕКА и няколко други космически агенции активно следват стратегии за намаляване на космическите отпадъци - които включват намаляване на масата в региони с висока плътност и проектиране на плавателни съдове с безопасни технологии за повторно влизане.
В момента има няколко идеи за „активно премахване“. Те варират от космически лазери, които биха могли да изгорят отломки и магнитни космически влекачи, които биха го заснели, до малки спътници, които биха могли да го затлачат и деорбират или да го изтласкат в нашата атмосфера (където ще изгори) с помощта на плазмени лъчи.
Тези и други стратегии ще бъдат необходими в епохата, в която ниската земна орбита е не просто комерсиализирана, но и обитавана; да не говорим, че служи като точка за спиране на мисии до Луната, Марс и по-дълбоко в Слънчевата система. Ако космическите ленти ще бъдат заети, те трябва да се пазят чисто!
