Ak nás niečo naučilo desaťročia pôsobenia na obežnej dráhe Low Earth Orbit (LEO), je to, že priestor je plný nebezpečenstva. Okrem slnečných erupcií a kozmického žiarenia je jedným z najväčších nebezpečenstiev aj vesmírny odpad. Zatiaľ čo najväčšie kúsky nevyžiadanej pošty (ktoré merajú viac ako 10 cm v priemere) sú určite hrozbou, skutočnou obavou je viac ako 166 miliónov predmetov s veľkosťou od 1 mm do 1 cm v priemere.
Aj keď sú tieto kúsky nevyžiadanej pošty malé, môžu dosiahnuť rýchlosti až 56 000 km / h (34 800 mph) a pomocou súčasných metód ich nemožno sledovať. To, čo sa deje v okamihu nárazu, nebolo kvôli ich rýchlosti nikdy úplne jasné. Výskumný tím z MIT však nedávno uskutočnil prvé podrobné vysokorýchlostné zobrazovanie a analýzu procesu dopadu na mikročastice, čo sa hodí pri vývoji stratégií na zmiernenie úlomkov kozmického priestoru.
Ich zistenia sú opísané v novinách, ktoré sa nedávno objavili v časopise Prírodné komunikácie, Štúdiu viedla Mostafa Hassani-Gangaraj, postdoktorandka na Katedre materiálového inžinierstva MIT (DMSE). Pridal sa k nemu profesor Christopher Schuh (vedúci oddelenia DMSE), ako aj výskumný pracovník David Veysset a profesor Keith Nelson z Ústavu pre vojnové nanotechnológie MIT.
Nárazy mikročasticami sa používajú na rôzne každodenné priemyselné aplikácie, od nanášania náterov a čistiacich povrchov na rezné materiály a pieskovanie (kde sú častice zrýchlené až nadzvukové rýchlosti). Až doteraz však boli tieto procesy riadené bez dôkladného pochopenia príslušnej fyziky.
Kvôli štúdiu sa Hassani-Gangaraj a jeho tím snažili uskutočniť prvú štúdiu, ktorá skúma, čo sa stane s mikročasticami a povrchmi v okamihu nárazu. To predstavovalo dve hlavné výzvy: po prvé, častice sa pohybovali rýchlosťou jedného kilometra za sekundu (3600 km / h; 2237 mph), čo znamená, že udalosti nárazu prebiehajú mimoriadne rýchlo.
Po druhé, samotné častice sú také malé, že ich pozorovanie si vyžaduje vysoko sofistikované nástroje. Pri riešení týchto problémov sa tím spoliehal na testovacie pracovisko nárazu mikročastíc vyvinuté v MIT, ktoré je schopné zaznamenávať videozáznamy rýchlosťou až 100 miliónov snímok za sekundu. Potom použili laserový lúč na urýchlenie častíc cínu (priemer asi 10 mikrometrov) až do rýchlosti 1 km / s.
Druhý laser sa použil na osvetlenie lietajúcich častíc pri náraze na nárazovú plochu - plechu cínu. Zistili, že keď sa častice pohybujú rýchlosťou nad určitým prahom, existuje krátka doba topenia v momente nárazu, ktorá hrá rozhodujúcu úlohu pri erodovaní povrchu. Tieto údaje potom použili na predpovedanie toho, kedy sa častice odrazia, prilepia alebo zrazil materiál z povrchu a zoslabia ho.
V priemyselných aplikáciách sa všeobecne predpokladá, že vyššie rýchlosti povedú k lepším výsledkom. Tieto nové zistenia sú v rozpore s tým, čo ukazuje, že existuje oblasť pri vyšších rýchlostiach, kde namiesto zlepšenia pevnosť povlaku alebo povrchu materiálu klesá. Ako vysvetlil Hassani-Gangaraj v tlačovej správe MIT, táto štúdia je dôležitá, pretože pomôže vedcom predpovedať, za akých podmienok dôjde k erózii vplyvom:
„Aby sme tomu zabránili, musíme byť schopní predpovedať [rýchlosť, akou sa efekty menia]. Chceme pochopiť mechanizmy a presné podmienky, kedy sa môžu vyskytnúť tieto procesy erózie. “
Táto štúdia by mohla objasniť, čo sa deje v nekontrolovaných situáciách, napríklad keď mikročastice zasiahnu kozmickú loď a satelity. Vzhľadom na rastúci problém kozmického odpadu - a počet satelitov, kozmických lodí a kozmických biotopov, ktoré sa majú spustiť v nasledujúcich rokoch - by tieto informácie mohli hrať kľúčovú úlohu pri vývoji stratégií na zmiernenie dopadu.
Ďalšou výhodou tejto štúdie bolo modelovanie, ktoré umožňuje. V minulosti sa vedci spoliehali na postmortemové analýzy nárazových testov, pri ktorých bol povrch testovaný po vykonaní nárazu. Aj keď táto metóda umožňovala hodnotenie poškodenia, neviedla k lepšiemu pochopeniu komplexnej dynamiky procesu.
Naopak, tento test sa spoliehal na vysokorýchlostné zobrazovanie, ktoré zachytávalo roztavenie častice a povrchu v momente nárazu. Tím použil tieto údaje na vypracovanie všeobecného modelu na predpovedanie toho, ako by častice danej veľkosti a danej rýchlosti reagovali - t. J. Odrazili by sa od povrchu, držali sa ho alebo by ho roztopili roztavením? Doteraz sa ich testy spoliehali na čisté kovové povrchy, ale tím dúfa, že vykoná ďalšie testy s použitím zliatin a iných materiálov.
Zamýšľajú tiež testovať nárazy v rôznych uhloch, a nie priame nárazy, ktoré doteraz testovali. „Môžeme to rozšíriť na každú situáciu, v ktorej je dôležitá erózia,“ uviedol David Veysset. Cieľom je vyvinúť „jednu funkciu, ktorá nám môže povedať, či dôjde k erózii alebo nie. [To by mohlo pomôcť inžinierom] navrhnúť materiály na ochranu proti erózii, či už v priestore alebo na zemi, kdekoľvek chcú odolávať erózii, “dodal.
Táto štúdia a jej výsledný model budú pravdepodobne v nadchádzajúcich rokoch a desaťročiach veľmi užitočné. Všeobecne sa uznáva, že ak sa nezačiarkne, problém kozmického odpadu sa v blízkej budúcnosti zhorší exponenciálne. Z tohto dôvodu NASA, ESA a niekoľko ďalších vesmírnych agentúr aktívne realizujú stratégie „zmierňovania vesmírneho odpadu“ - medzi ktoré patrí znižovanie hmotnosti v regiónoch s vysokou hustotou a navrhovanie plavidiel pomocou bezpečných technológií opätovného vstupu.
V súčasnosti je na stole niekoľko nápadov na „aktívne odstránenie“. Siahajú od vesmírnych laserov, ktoré by mohli spáliť úlomky a magnetické remorkéry, ktoré by ich zachytili, po malé satelity, ktoré by ich mohli harpunovať a deorbitovať alebo vytlačiť do našej atmosféry (kde by sa spálilo) pomocou plazmových lúčov.
Tieto a ďalšie stratégie budú potrebné vo veku, keď sa nízkoobežná obežná dráha nielen komercializuje, ale aj osídli; nehovoriac o tom, že slúži ako zastávka pre misie na Mesiac, Mars a hlbšie do slnečnej sústavy. Ak budú vesmírne koridory zaneprázdnené, musia sa udržiavať čisté!
