Якщо є одне, чого навчили нас десятиліття функціонування на низькій орбіті Землі (LEO), це простір повний небезпек. Окрім сонячних спалахів та космічного випромінювання, одна з найбільших небезпек припадає на космічні сміття. Незважаючи на те, що найбільші шматочки сміття (що мають діаметр понад 10 см), безумовно, є загрозою, справжнє занепокоєння викликає понад 166 мільйонів предметів, розміром яких є діаметр від 1 мм до 1 см.
Хоча крихітні, ці шматочки мотлоху можуть досягти швидкості до 56000 км / год (34 800 миль / год), і їх неможливо відстежити, використовуючи сучасні методи. Через їх швидкість те, що відбувається в момент удару, ніколи не було чітко зрозуміло. Однак нещодавно дослідницька група з MIT провела перший детальний високошвидкісний знімок та аналіз процесу удару мікрочастинок, який стане у нагоді при розробці стратегій зменшення космічного сміття.
Їхні висновки описані в роботі, який нещодавно з'явився в журналі Природа комунікацій. Дослідженням керувала Мостафа Хассані-Гангарадж, докторантура, департамент матеріалознавства та техніки MIT (DMSE). До нього приєдналися професор Крістофер Шух (завідувач кафедри DMSE), а також науковий співробітник Девід Вейсет та професор Кіт Нельсон з Інституту солдатських нанотехнологій MIT.
Мікрочастинки впливають на різноманітні повсякденні промислові сфери, починаючи від нанесення покриттів та очищення поверхонь до ріжучих матеріалів та піскоструминної обробки (де частки прискорюються до надзвукових швидкостей). Але до цих пір ці процеси контролювались без чіткого розуміння основної фізики.
Заради свого дослідження Хассані-Гангарадж та його команда прагнули провести перше дослідження, яке вивчає, що відбувається з мікрочастинками та поверхнями в момент удару. Це поставило два основні виклики: по-перше, частинки рухаються вгору на один кілометр в секунду (3600 км / год; 2237 миль / год), а це означає, що події удару відбуваються надзвичайно швидко.
По-друге, самі частинки настільки крихітні, що для їх спостереження потрібні дуже складні інструменти. Щоб вирішити ці виклики, команда спиралася на тестовий удар мікрочастинок, розроблений на MIT, який здатний записувати відеозаписи із швидкістю до 100 мільйонів кадрів в секунду. Потім вони використовували лазерний промінь для прискорення частинок олова (діаметром близько 10 мікрометрів) до швидкості 1 км / с.
Другий лазер був використаний для освітлення літаючих частинок, коли вони вражали ударну поверхню - лист олова. Вони виявили, що коли частинки рухаються зі швидкістю вище певного порогу, в момент удару спостерігається короткий період плавлення, який відіграє вирішальну роль у розмиванні поверхні. Потім вони використовували ці дані, щоб передбачити, коли частинки будуть відштовхуватися, стирчати або вибивати матеріал з поверхні та послаблювати її.
У промислових сферах широко прийнято вважати, що більша швидкість призведе до кращих результатів. Ці нові висновки суперечать цьому, показуючи, що існує область з більшою швидкістю, де міцність покриття або поверхні матеріалу зменшується, а не покращується. Як пояснила Хассані-Гангарадж у прес-релізі MIT, це дослідження є важливим, оскільки допоможе вченим передбачити, за яких умов відбудеться ерозія від ударів:
"Щоб цього уникнути, нам потрібно вміти передбачати [швидкість, з якою змінюються ефекти]. Ми хочемо зрозуміти механізми та точні умови, коли ці ерозійні процеси можуть відбуватися ».
Це дослідження може пролити світло на те, що відбувається в неконтрольованих ситуаціях, наприклад, коли мікрочастинки вражають космічні апарати та супутники. З огляду на зростаючу проблему космічного сміття - та кількість супутників, космічних кораблів та космічних середовищ існування, які, як очікується, будуть запущені в найближчі роки, - ця інформація може зіграти ключову роль у розробці стратегій зменшення впливу.
Ще однією перевагою цього дослідження було моделювання, яке воно дозволяло. У минулому вчені покладалися на посмертний аналіз ударних тестів, де досліджувана поверхня була вивчена після того, як відбувся вплив. Хоча цей метод дозволяв оцінити збитки, він не призвів до кращого розуміння складної динаміки, що бере участь у процесі.
Навпаки, цей тест спирався на високошвидкісні зображення, які фіксували плавлення частинок і поверхні в той самий момент удару. Команда використала ці дані для розробки загальної моделі, щоб передбачити, як реагуватимуть частинки заданого розміру та заданої швидкості - тобто, вони відскакують від поверхні, прилипнуть до неї чи стирають її шляхом плавлення? Поки їхні випробування спиралися на чисті металеві поверхні, проте команда сподівається провести подальші випробування із використанням сплавів та інших матеріалів.
Вони також мають намір перевірити удари під різними кутами, а не прямі удари, які вони випробували досі. "Ми можемо поширити це на кожну ситуацію, де важлива ерозія", - сказав Девід Вейсет. Метою є розробити «одну функцію, яка може сказати нам, відбудеться ерозія чи ні. [Це може допомогти інженерам] розробити матеріали для захисту від ерозії, будь то в космосі чи на землі, де б вони не хотіли протистояти ерозії ", - додав він.
Це дослідження та отримана ним модель, ймовірно, стануть дуже корисними у найближчі роки та десятиліття. Широко прийнято, що якщо залишити його без контролю, проблема космічного сміття в найближчому майбутньому стане ще більш експоненціально гіршою. З цієї причини НАСА, ЄКА та кілька інших космічних агентств активно проводять стратегії "зменшення космічного сміття" - які включають зменшення маси в регіонах з високою щільністю та проектування кораблів за допомогою безпечних технологій повторного в'їзду.
На цьому етапі також є кілька ідей щодо «активного видалення». Вони варіюються від космічних лазерів, які можуть спалювати сміття та магнітні космічні буксири, які захоплюють його, до невеликих супутників, які можуть гарпун та деорбіт або виштовхнуть його в нашу атмосферу (де він буде згоряти) за допомогою плазмових променів.
Ці та інші стратегії знадобляться в епоху, коли низька орбіта Землі не просто комерціалізована, а й заселена; не кажучи вже про те, що вона служить точкою зупинки для місій на Місяць, Марс і глибше в Сонячну систему. Якщо космічні смуги будуть зайняті, вони повинні бути чіткими!
