Якщо і є чомусь, чому навчили нас десятиліття роботи на низькій орбіті Землі (LEO), так це тому, що космос сповнений небезпек. Крім сонячних спалахів і космічної радіації, одна з найбільших небезпек походить від космічне сміття . Хоча найбільші шматки сміття (діаметр яких більше 10 см) безсумнівно становлять загрозу, справжнє занепокоєння викликають понад 166 мільйонів об’єктів розміром від 1 мм до 1 см в діаметрі.
Будучи крихітними, ці шматки сміття можуть розвивати швидкість до 56 000 км/год (34 800 миль/год), і їх неможливо відстежити за допомогою сучасних методів. Через їх швидкість ніколи не було чітко зрозуміло, що відбувається в момент удару. Однак нещодавно дослідницька група з Массачусетського технологічного інституту провела перша детальна високошвидкісна візуалізація та аналіз процесу впливу мікрочастинок, що стане в нагоді при розробці стратегій пом'якшення космічного сміття.
Їхні висновки описані в статті, яка нещодавно з’явилася в журналі Природні комунікації . Дослідження проводив Мустафа Хассані-Гангарадж, докторант Массачусетського технологічного інституту. кафедра матеріалознавства та техніки (DMSE). До нього приєдналися професор Крістофер Шу (керівник відділу DMSE), а також науковий співробітник Девід Вейсет і професор Кіт Нельсон з Массачусетського технологічного інституту Інститут солдатських нанотехнологій .
Графіка, що показує хмару космічного сміття, яка в даний час оточує Землю. Авторство: NASA's Goddard Space Flight Center/JSC
Удари мікрочастинок використовуються для різноманітних повсякденних промислових застосувань, починаючи від нанесення покриттів і очищення поверхонь до різання матеріалів і піскоструминної обробки (де частинки прискорюються до надзвукової швидкості). Але дотепер цими процесами керували без чіткого розуміння основної фізики.
Заради свого дослідження Хассані-Гангарадж і його команда намагалися провести перше дослідження, яке вивчає, що відбувається з мікрочастинок і поверхнями в момент удару. Це створило дві великі проблеми: по-перше, залучені частинки рухаються зі швидкістю більше одного кілометра на секунду (3600 км/год; 2237 миль/год), що означає, що ударні події відбуваються надзвичайно швидко.
По-друге, самі частинки настільки малі, що для їх спостереження потрібні дуже складні прилади. Щоб вирішити ці проблеми, команда покладалася на тестовий стенд із ударом мікрочастинок, розроблений в Массачусетському технологічному інституті, який здатний записувати ударні відео зі швидкістю до 100 мільйонів кадрів в секунду. Потім вони використали лазерний промінь для прискорення частинок олова (діаметром близько 10 мікрометрів) до швидкості 1 км/с.
Другий лазер використовувався для освітлення частинок, що летять, коли вони вдарялися про ударну поверхню – лист олова. Вони виявили, що коли частинки рухаються зі швидкістю вище певного порогу, у момент удару відбувається короткий період плавлення, що відіграє вирішальну роль у розмиванні поверхні. Потім вони використали ці дані, щоб передбачити, коли частинки відскочують, прилипають або відбивають матеріал від поверхні та послаблюють її.
Ще фото з високошвидкісного відео, де дослідники ESA проводять тест на гіпершвидкість із своїм новим екраном FML. Авторство: Інститут швидкісної динаміки Фраунгофера
У промислових застосуваннях широко припускається, що більш високі швидкості приведуть до кращих результатів. Ці нові висновки суперечать цьому, показуючи, що існує область з більшими швидкостями, де міцність покриття або поверхні матеріалу зменшується, а не покращується. Як пояснив Хасані-Гангарадж в Массачусетському технологічному інституті прес-реліз , це дослідження важливе, оскільки воно допоможе вченим передбачити, за яких умов матиме місце ерозія від ударів:
«Щоб уникнути цього, ми повинні мати можливість передбачити [швидкість, з якою змінюються наслідки]. Ми хочемо зрозуміти механізми та точні умови, коли ці процеси ерозії можуть відбуватися».
Це дослідження може пролити світло на те, що відбувається в неконтрольованих ситуаціях, наприклад, коли мікрочастинки вражають космічний корабель і супутники. Враховуючи зростаючу проблему космічного сміття – а також кількість супутників, космічних кораблів і космічних місць проживання, які очікується, що будуть запущені в найближчі роки – ця інформація може відігравати ключову роль у розробці стратегій пом’якшення впливу.
Ще однією перевагою цього дослідження було моделювання, яке воно дозволяло. У минулому вчені покладалися на посмертний аналіз ударних випробувань, коли досліджувану поверхню досліджували після удару. Незважаючи на те, що цей метод дозволяв оцінювати збитки, він не привів до кращого розуміння складної динаміки, залученої в процес.
Чіп у вікні Купола МКС, сфотографований астронавтом Тімом Піком. Авторство: ESA/NASA/Tim Peake
На відміну від цього, цей тест спирався на високошвидкісне зображення, яке фіксувало плавлення частинки та поверхні в самий момент удару. Команда використала ці дані, щоб розробити загальну модель, щоб передбачити, як будуть реагувати частинки заданого розміру та заданої швидкості, тобто чи будуть вони відскочити від поверхні, прилипнути до неї чи роз’їсти її шляхом плавлення? Поки що їхні тести покладалися на чисті металеві поверхні, але команда сподівається провести подальші випробування із використанням сплавів та інших матеріалів.
Вони також мають намір випробувати удари під різними кутами, а не прямі удари, які вони тестували досі. «Ми можемо поширити це на кожну ситуацію, де ерозія важлива», сказав Девід Вейсет. Мета — 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 вони хочуть протистояти ерозії», — додав він.
Це дослідження та його модель, ймовірно, стануть у нагоді в найближчі роки та десятиліття. Широко визнано, що якщо не зупинити проблему, проблема космічного сміття стане експоненціально гіршою в найближчому майбутньому. З цієї причини NASA, ESA та кілька інших космічних агентств активно проводять « пом'якшення космічного сміття стратегії, які включають зменшення маси в регіонах з високою щільністю та проектування суден із безпечними технологіями повторного входу.
На даному етапі також є кілька ідей щодо «активного видалення». Ці варіюються від космічні лазери які можуть спалити сміття та магнітні космічні буксири це перехопило б його на невеликі супутники, які могли б гарпун і вивести його з орбіти або виштовхнути його в нашу атмосферу (де він згорить) за допомогою плазмових пучків.
Ці та інші стратегії будуть необхідні в епоху, коли низька орбіта Землі не просто комерціалізована, а й населена; не кажучи вже про те, щоб служити пунктом зупинки для місій на Місяць, Марс і глибше в Сонячну систему. Якщо космічні смуги будуть зайняті, вони повинні бути вільними!
Подальше читання: З , Природні комунікації