Pokud nás něco naučilo desetiletí působení na Low Earth Orbit (LEO), je to, že prostor je plný nebezpečí. Kromě slunečních erupcí a kosmického záření přichází také jeden z největších nebezpečí z kosmického odpadu. Zatímco největší kousky nevyžádané pošty (které měří více než 10 cm v průměru) jsou určitě hrozbou, skutečnou obavou je více než 166 milionů předmětů, které se pohybují ve velikosti od průměru 1 mm do 1 cm.
Přestože jsou tyto kousky nevyžádané, mohou dosáhnout rychlosti až 56 000 km / h (34 800 mph) a pomocí současných metod je nelze sledovat. To, co se děje v okamžiku nárazu, nebylo kvůli jejich rychlosti nikdy zcela jasné. Výzkumný tým z MIT však nedávno provedl první podrobné vysokorychlostní zobrazování a analýzu procesu dopadu na mikročástice, což se hodí při vývoji strategií zmírňování vesmírných zbytků.
Jejich nálezy jsou popsány v novinách, které se nedávno objevily v časopise Nature Communications. Studii vedla Mostafa Hassani-Gangaraj, postdoktorandka na Ústavu materiálových věd a inženýrství MIT (DMSE). Připojil se k nim profesor Christopher Schuh (vedoucí oddělení DMSE) a výzkumný pracovník David Veysset a prof. Keith Nelson z Ústavu pro vojenská nanotechnologie MIT.
Nárazy mikročásticemi se používají pro různé každodenní průmyslové aplikace, od nanášení nátěrů a čistících povrchů po řezné materiály a otryskávání (kde jsou částice zrychleny na nadzvukové rychlosti). Až dosud však byly tyto procesy řízeny bez důkladného pochopení základní fyziky.
Pro účely své studie se Hassani-Gangaraj a jeho tým pokusili provést první studii, která zkoumá, co se stane s mikročásticemi a povrchy v okamžiku nárazu. To představovalo dvě hlavní výzvy: zaprvé, částice se pohybovaly rychlostí nahoru jeden kilometr za sekundu (3600 km / h; 2237 mph), což znamená, že k dopadovým událostem dochází velmi rychle.
Za druhé, částice samotné jsou tak malé, že jejich pozorování vyžaduje vysoce sofistikované nástroje. Při řešení těchto výzev se tým spoléhal na testovací testovací zařízení dopadající na mikročástice vyvinuté na MIT, které je schopné zaznamenávat videozáznamy rychlostí až 100 milionů snímků za sekundu. Poté pomocí laserového paprsku urychlili cínové částice (průměr asi 10 mikrometrů) až do rychlosti 1 km / s.
Druhý laser byl použit k osvětlení létajících částic, když dopadly na nárazovou plochu - plechový plech. Zjistili, že když se částice pohybují rychlostí nad určitým prahem, existuje v okamžiku nárazu krátká doba tání, která hraje zásadní roli při erodování povrchu. Tyto údaje pak použili k předpovědi, kdy se částice odrazí, přilepí nebo srazí materiál z povrchu a oslabí.
V průmyslových aplikacích se obecně předpokládá, že vyšší rychlosti povedou k lepším výsledkům. Tato nová zjištění tomu odporují, což ukazuje, že existuje oblast při vyšších rychlostech, kde se síla povlaku nebo povrchu materiálu místo zlepšování snižuje. Jak vysvětlil Hassani-Gangaraj v tiskové zprávě MIT, tato studie je důležitá, protože pomůže vědcům předvídat, za jakých podmínek dojde k erozi způsobené dopady:
„Abychom tomu zabránili, musíme být schopni předpovídat [rychlost, se kterou se efekty mění]. Chceme pochopit mechanismy a přesné podmínky, kdy k těmto erozním procesům může dojít. “
Tato studie by mohla osvětlit, co se děje v nekontrolovaných situacích, jako když mikročástice zasáhnou kosmickou loď a satelity. Vzhledem k rostoucímu problému kosmického odpadu - a počtu satelitů, kosmických lodí a kosmických stanovišť, u nichž se očekává spuštění v příštích letech - by tyto informace mohly hrát klíčovou roli při vývoji strategií zmírňování dopadů.
Další výhodou této studie bylo modelování, které umožňuje. V minulosti se vědci spoléhali na postmortemové analýzy nárazových testů, kde byl povrch testován po dopadu. I když tato metoda umožňovala hodnocení poškození, nevedla k lepšímu pochopení složité dynamiky procesu.
Oproti tomu se tento test spoléhal na vysokorychlostní zobrazování, které zachytilo roztavení částice a povrchu v okamžiku nárazu. Tým použil tato data k vytvoření obecného modelu k předpovídání toho, jak by částice dané velikosti a dané rychlosti reagovaly - tj. Odrazily by se z povrchu, přilepily se k němu nebo erodovaly roztavením? Jejich testy se dosud spoléhaly na čistě kovové povrchy, ale tým doufá, že provede další testy pomocí slitin a jiných materiálů.
Mají také v úmyslu testovat nárazy v různých úhlech, spíše než přímé dopady, které dosud testovaly. "Můžeme to rozšířit na každou situaci, kde je eroze důležitá," řekl David Veysset. Cílem je vyvinout „jednu funkci, která nám řekne, zda dojde k erozi nebo ne. [To by mohlo pomoci technikům] navrhnout materiály pro ochranu proti erozi, ať už je to ve vesmíru nebo na zemi, kdekoli chtějí odolávat erozi, “dodal.
Tato studie a její výsledný model budou pravděpodobně v nadcházejících letech a desetiletích velmi užitečné. Obecně se uznává, že pokud nebude tento problém ponechán nezaškrtnutý, v blízké budoucnosti se problém vesmírných sutin exponenciálně zhorší. Z tohoto důvodu NASA, ESA a několik dalších kosmických agentur aktivně provádějí strategie „zmírňování vesmírných zbytků“ - mezi něž patří snižování hmotnosti v regionech s vysokou hustotou a navrhování plavidel pomocí bezpečných technologií opětovného vstupu.
V současné době je na stole také několik návrhů na „aktivní odstranění“. Tyto sahají od kosmických laserů, které by mohly spálit trosky a magnetické kosmické remorkéry, které by ho zachytily, na malé satelity, které by ho mohly harpunovat a deorbitovat nebo vytlačit do naší atmosféry (kde by se spálilo) pomocí plazmových paprsků.
Tyto a další strategie budou nezbytné ve věku, kdy je nízkooběžní orbita nejen komercializována, ale také obydlena; nemluvě o zastávce pro mise na Měsíc, Mars a hlouběji do Sluneční soustavy. Pokud budou vesmírné pruhy zaneprázdněny, musí být udržovány volné!
