Če nas je nekaj naučil desetletij delovanja v nizki zemeljski orbiti (LEO), je to vesolje polno nevarnosti. Poleg sončnih žarkov in kozmičnega sevanja ena največjih nevarnosti prihaja iz vesoljskih naplavin. Medtem ko največji koščki smeti (ki merijo premer več kot 10 cm) gotovo predstavljajo grožnjo, je resnična skrb več kot 166 milijonov predmetov, ki segajo v premer od 1 mm do 1 cm.
Čeprav so majhni, lahko ta delček smeti doseže hitrost do 56.000 km / h (34.800 mph) in jih ni mogoče zaslediti s trenutnimi metodami. Kaj se zgodi v trenutku trka zaradi njihove hitrosti ni bilo nikoli jasno razjasnjeno. Vendar je nedavno raziskovalna skupina MIT izvedla prvo podrobno slikanje na visoki hitrosti in analizo procesa udarcev mikro delcev, ki bo koristno pri razvoju strategij za zmanjševanje vesoljskih naplavin.
Njihove ugotovitve so opisane v prispevku, ki se je nedavno pojavil v reviji Narava komunikacije. Študijo je vodila Mostafa Hassani-Gangaraj, podoktorska sodelavka pri MIT-ovem oddelku za materialologijo in inženiring (DMSE). Pridružil se mu je prof. Christopher Schuh (vodja oddelka DMSE) ter raziskovalec oseb David Veysset in prof. Keith Nelson iz MIT-ovega inštituta za vojaške nanotehnologije.
Udarci mikro delcev se uporabljajo za različne vsakodnevne industrijske namene, od nanosa premazov in površin za čiščenje do materialov za rezanje in peskanje (kjer delci pospešujejo do nadzvočne hitrosti). Toda do zdaj smo te procese nadzirali brez trdnega razumevanja osnovne fizike, ki je vpletena.
Zaradi svoje študije sta Hassani-Gangaraj in njegova ekipa poskušala izvesti prvo študijo, ki preuči, kaj se zgodi z mikro delci in površinami v trenutku udarca. To je predstavljalo dva glavna izziva: prvič, delci potujejo s hitrostjo več kot en kilometer na sekundo (3600 km / h; 2237 mph), kar pomeni, da se udarni dogodki odvijajo izjemno hitro.
Drugič, sami delci so tako drobni, da njihovo opazovanje zahteva zelo izpopolnjene instrumente. Za reševanje teh izzivov se je ekipa oprla na testno ploščico z mikro delci, razvito na MIT, ki je sposobna snemati udarne video posnetke do 100 milijonov sličic na sekundo. Nato so uporabili laserski žarek za pospeševanje delcev kositra (v premeru približno 10 mikrometrov) do hitrosti 1 km / s.
Drugi laser je bil uporabljen za osvetlitev letečih delcev, ko so udarili na udarno površino - list kositra. Ugotovili so, da se delci, ki se gibljejo s hitrostjo nad določenim pragom, v trenutku trka na kratko talijo, kar ima ključno vlogo pri eroziji površine. Te podatke so nato uporabili za napovedovanje, kdaj bodo delci odskočili, zlepili ali odstranili material s površine in jo oslabili.
V industrijskih aplikacijah na splošno velja, da bodo večje hitrosti vodile do boljših rezultatov. Te nove ugotovitve nasprotujejo temu, kar kaže, da obstaja območje z večjimi hitrostmi, kjer se trdnost premaza ali površine materiala zmanjša, namesto da se izboljša. Kot je v sporočilu za MIT pojasnila Hassani-Gangaraj, je ta študija pomembna, saj bo znanstvenikom pomagala predvideti, pod katerimi pogoji se bo zgodila erozija:
"Da bi se temu izognili, moramo biti sposobni predvideti [hitrost, s katero se učinki spreminjajo]. Želimo razumeti mehanizme in natančne pogoje, ko se lahko zgodijo ti postopki erozije. "
Ta študija bi lahko osvetlila dogajanje v nenadzorovanih situacijah, na primer, ko mikro delci udarijo v vesoljska plovila in satelite. Glede na naraščajočo težavo vesoljskih naplavin - in število satelitov, vesoljskih plovil in vesoljskih habitatov, ki naj bi se izstrelili v prihodnjih letih - bi lahko te informacije igrale ključno vlogo pri razvoju strategij za zmanjšanje vplivov.
Druga prednost te študije je bilo dovoljeno modeliranje. V preteklosti so se znanstveniki opirali na postmortem analize udarnih testov, kjer so testno površino preučili, ko je bil vpliv opravljen. Čeprav je ta metoda omogočala presojo škode, pa ni privedla do boljšega razumevanja zapletene dinamike, ki je vključena v postopek.
V nasprotju s tem se je ta test opiral na hitro slikanje, ki je zajelo taljenje delca in površine v trenutku udarca. Skupina je te podatke uporabila za oblikovanje splošnega modela, da so napovedali, kako se bodo odzvali delci določene velikosti in hitrosti, tj. Ali bi odvrnili površino, se prilepili nanjo ali jo raztopili s taljenjem? Doslej so se njihovi preizkusi opirali na čiste kovinske površine, toda ekipa upa, da bodo izvedli nadaljnje teste z uporabo zlitin in drugih materialov.
Prav tako nameravajo preizkusiti udarce iz različnih zornih kotov, ne pa neposrednih udarcev, ki so jih preizkusili do zdaj. "To lahko razširimo na vsako situacijo, kjer je pomembna erozija," je dejal David Veysset. Cilj je razviti "eno funkcijo, ki nam lahko pove, ali se bo zgodila erozija ali ne. [To bi lahko pomagalo inženirjem], da oblikujejo materiale za zaščito pred erozijo, bodisi v vesolju ali na zemlji, kjer koli se želijo upreti eroziji, "je dodal.
Ta študija in njen zgledni model bosta verjetno prišla zelo koristno v naslednjih letih in desetletjih. Splošno je sprejeto, da bo problem vesoljskih odpadkov, če ga pustimo brez nadzora, v bližnji prihodnosti še bolj eksponentno poslabšal. Zaradi tega NASA, ESA in številne druge vesoljske agencije aktivno zasledujejo strategije za zmanjševanje vesoljskih odpadkov - ki vključujejo zmanjšanje mase v regijah z visoko gostoto in načrtovanje plovil z varnimi tehnologijami ponovnega vstopa.
Na tej mizi je tudi več idej za "aktivno odstranjevanje". Te segajo od vesoljskih laserjev, ki bi lahko izgorevali naplavine in magnetne vesoljske vlačilce, ki bi jih zajeli do majhnih satelitov, ki bi ga lahko lupovali in deorbilirali ali pa ga s plazemskimi žarki potisnili v naše ozračje (kjer bi zgorelo).
Te in druge strategije bodo potrebne v dobi, ko nizka zemeljska orbita ni samo komercializirana, temveč tudi naseljena; da ne omenjam, da bi služil kot točka postanka za misije na Luno, Mars in globlje v Osončje. Če bodo vesoljski pasi zasedeni, jih je treba držati čisto!
