Если чему-то научили нас десятилетия работы на низкой околоземной орбите (LEO), так это то, что космос полон опасностей. В дополнение к солнечным вспышкам и космическому излучению, одна из самых больших опасностей исходит от космического мусора. В то время как самые большие куски мусора (которые измеряют более 10 см в диаметре), безусловно, представляют собой угрозу, реальная проблема заключается в том, что более 166 миллионов объектов имеют размеры от 1 мм до 1 см в диаметре.
Будучи крошечными, эти куски мусора могут развивать скорость до 56 000 км / ч (34 800 миль в час) и их невозможно отследить с помощью существующих методов. Из-за их скорости, то, что происходит в момент удара, никогда не было ясно понято. Однако исследовательская группа из Массачусетского технологического института недавно провела первую детальную высокоскоростную визуализацию и анализ процесса воздействия микрочастиц, которые пригодятся при разработке стратегий уменьшения космического мусора.
Их выводы описаны в статье, недавно опубликованной в журнале. Связи природы, Исследование было проведено Мостафой Хассани-Гангараджем, докторантом в Департаменте материаловедения и инженерии MIT (DMSE). К нему присоединились профессор Кристофер Шух (глава департамента DMSE), а также штатный исследователь Дэвид Вейссет и профессор Кит Нельсон из Института нанотехнологий для солдат.
Удары микрочастиц используются для различных повседневных промышленных применений - от нанесения покрытий и очистки поверхностей до резки материалов и пескоструйной обработки (где частицы ускоряются до сверхзвуковых скоростей). Но до сих пор эти процессы контролировались без четкого понимания основополагающей физики.
Ради своего исследования Хассани-Гангарадж и его команда попытались провести первое исследование, в котором исследуется, что происходит с микрочастицами и поверхностями в момент удара. Это создало две основные проблемы: во-первых, вовлеченные частицы движутся со скоростью свыше одного километра в секунду (3600 км / ч; 2237 миль в час), что означает, что столкновение происходит очень быстро.
Во-вторых, сами частицы настолько малы, что для их наблюдения требуются очень сложные инструменты. Для решения этих проблем команда использовала испытательный стенд для воздействия на микрочастицы, разработанный в Массачусетском технологическом институте, который способен записывать ударные видео со скоростью до 100 миллионов кадров в секунду. Затем они использовали лазерный луч для ускорения частиц олова (диаметром около 10 микрометров) до скоростей 1 км / с.
Второй лазер использовался для освещения летящих частиц, когда они ударялись о поверхность удара, - лист олова. Они обнаружили, что когда частицы движутся со скоростью выше определенного порога, в момент удара происходит короткий период плавления, который играет решающую роль в разрушении поверхности. Затем они использовали эти данные, чтобы предсказать, когда частицы отскочат, прилипнут или выбьют материал с поверхности и ослабят его.
В промышленных применениях широко предполагается, что более высокие скорости приведут к лучшим результатам. Эти новые результаты противоречат этому, показывая, что существует область с более высокими скоростями, где прочность покрытия или поверхности материала уменьшается, а не улучшается. Как объяснил Хассани-Гангарадж в пресс-релизе MIT, это исследование важно, потому что оно поможет ученым предсказать, при каких условиях произойдет эрозия от воздействий:
«Чтобы избежать этого, мы должны быть в состоянии предсказать [скорость изменения эффектов]. Мы хотим понять механизмы и точные условия, когда могут происходить эти процессы эрозии ».
Это исследование может пролить свет на то, что происходит в неконтролируемых ситуациях, например, когда микрочастицы ударяются о космический корабль и спутники. Учитывая растущую проблему космического мусора - и количество спутников, космических кораблей и космических мест обитания, которые, как ожидается, будут запущены в ближайшие годы - эта информация может сыграть ключевую роль в разработке стратегий смягчения воздействия.
Еще одним преимуществом этого исследования было моделирование, которое оно позволило. В прошлом ученые полагались на посмертный анализ испытаний на удар, когда поверхность испытания изучалась после того, как произошло воздействие. Хотя этот метод позволял проводить оценку ущерба, он не позволил лучше понять сложную динамику процесса.
В отличие от этого, этот тест основывался на высокоскоростной визуализации, которая зафиксировала плавление частицы и поверхности в самый момент удара. Команда использовала эти данные для разработки общей модели, чтобы предсказать, как отреагируют частицы заданного размера и заданной скорости - то есть, отскочат ли они от поверхности, прилипнут к ней или разрушат ее в результате плавления? Пока что их испытания основаны на чистых металлических поверхностях, но команда надеется провести дальнейшие испытания с использованием сплавов и других материалов.
Они также намереваются испытать удары под разными углами, а не прямые удары, которые они испытывали до сих пор. «Мы можем распространить это на любую ситуацию, где эрозия важна», - сказал Дэвид Вейссет. Цель состоит в том, чтобы разработать «одну функцию, которая может сказать нам, произойдет ли эрозия или нет. [Это может помочь инженерам] разрабатывать материалы для защиты от эрозии, будь то в космосе или на земле, где бы они ни хотели противостоять эрозии », - добавил он.
Это исследование и полученная в результате модель, вероятно, пригодятся в ближайшие годы и десятилетия. Широко признано, что, если оставить этот вопрос без внимания, в ближайшем будущем проблема космического мусора значительно возрастет. По этой причине НАСА, ЕКА и ряд других космических агентств активно проводят стратегии «уменьшения космического мусора», которые включают уменьшение массы в регионах с высокой плотностью и разработку судов с использованием технологий безопасного повторного входа.
На этом этапе также есть несколько идей для «активного удаления». Они варьируются от космических лазеров, которые могут сжигать осколки и магнитные космические буксиры, которые могли бы захватить его, до небольших спутников, которые могли бы гарпунить и высылать его или толкать его в нашу атмосферу (где он мог бы сгореть), используя плазменные лучи.
Эти и другие стратегии будут необходимы в эпоху, когда низкая околоземная орбита не только коммерциализирована, но и заселена; не говоря уже о том, что он служит пунктом остановки для миссий на Луну, Марс и вглубь Солнечной системы. Если космические полосы будут заняты, они должны быть чистыми!
