Kui on üks asi, mida aastakümnete pikkune maapinnalähedasel orbiidil (LEO) tegutsemine on meile õpetanud, siis on kosmos täis ohtusid. Lisaks päikesekiirgusele ja kosmilisele kiirgusele on kosmoseprügis üks suurimaid ohte. Ehkki suurimad rämpsupalad (mille läbimõõt on üle 10 cm) on kindlasti ohuks, valmistab tõsist muret enam kui 166 miljonit objekti, mille suurus on vahemikus 1 mm kuni 1 cm.
Kuigi need pisikesed tükid võivad jõuda kiiruseni 56 000 km / h (34 800 mph) ja neid pole praeguste meetoditega võimalik jälgida. Nende kiiruse tõttu pole löögi hetkel toimuvat kunagi täpselt mõistetud. Kuid MIT-i uurimisrühm viis hiljuti läbi esimese üksikasjaliku kiire piltide kuvamise ja mikroosakeste löögiprotsessi analüüsi, mis on abiks kosmosejäätmete leevendamise strateegiate väljatöötamisel.
Nende järeldusi kirjeldatakse hiljuti ajakirjas ilmunud artiklis Looduskommunikatsioon. Uuringut juhtis MIT-i materjaliteaduse ja tehnikaosakonna (DMSE) järeldoktor Mostafa Hassani-Gangaraj. Temaga liitusid prof Christopher Schuh (DMSE osakonna juhataja), samuti personali uurija David Veysset ja prof Keith Nelson MIT-i sõdurite nanotehnoloogiate instituudist.
Mikroosakeste lööke kasutatakse erinevates igapäevastes tööstuslikes rakendustes, alates katete ja pindade puhastamisest kuni materjalide lõikamiseni ja liivapritsini (kus osakesed kiirendatakse ülehelikiirusele). Kuid seni on neid protsesse kontrollitud, ilma et oleks põhjalikku mõistmist selle aluseks oleva füüsika kohta.
Hassani-Gangaraj ja tema meeskond püüdsid oma uuringu huvides läbi viia esimese uuringu, milles uuriti, mis juhtub mikroosakeste ja pindadega kokkupõrke hetkel. See esitas kaks peamist väljakutset: esiteks liiguvad asjassepuutuvad osakesed kiirusega üles kilomeetri sekundis (3600 km / h; 2237 mph), mis tähendab, et löögisündmused toimuvad äärmiselt kiiresti.
Teiseks on osakesed ise nii pisikesed, et nende vaatlemine nõuab väga keerukaid vahendeid. Nende väljakutsete lahendamiseks tugines meeskond MIT-is välja töötatud mikroosakeste löögiproovile, mis on võimeline salvestama löögivideoid kiirusega kuni 100 miljonit kaadrit sekundis. Seejärel kasutasid nad tinaosakeste (läbimõõduga umbes 10 mikromeetrit) kiirendamiseks kiirusega 1 km / s laserkiirt.
Lendavate osakeste valgustamiseks kasutati teist laserit, kui need tabasid löögipinda - tina lehte. Nad leidsid, et kui osakesed liiguvad kiirusest üle teatud läve, toimub löögi hetkel lühike sulamisaeg, millel on pinna erodeerimisel ülioluline roll. Seejärel kasutasid nad neid andmeid, et ennustada, millal osakesed materjali pinnalt eemale põrkavad, kleepuvad või koputavad ja nõrgestavad.
Tööstuslikes rakendustes eeldatakse laialdaselt, et suuremad kiirused tagavad paremad tulemused. Need uued leiud on sellega vastuolus, näidates, et on olemas suurema kiirusega piirkond, kus katte tugevus või materjali pind väheneb, mitte paraneb. Nagu Hassani-Gangaraj MIT-i pressiteates selgitas, on see uuring oluline, kuna see aitab teadlastel ennustada, millistel tingimustel toimub mõjude erosioon:
„Selle vältimiseks peame suutma ennustada [efektide muutumise kiirust]. Tahame mõista mehhanisme ja täpseid tingimusi, millal need erosiooniprotsessid võivad toimuda. ”
See uuring võiks valgustada seda, mis juhtub kontrollimatutes olukordades, näiteks kui mikroosakesed löövad kosmoseaparaate ja satelliite. Arvestades kosmoseprügi kasvavat probleemi - ning satelliitide, kosmoseaparaatide ja kosmoseelupaikade arvu, mis eeldatavasti lähiaastatel käivitatakse -, võib see teave mängida võtmerolli mõju leevendamise strateegiate väljatöötamisel.
Selle uuringu teine eelis oli modelleerimine, mida see võimaldas. Varem on teadlased tuginenud löögikatsete surmajärgsetele analüüsidele, kus uuriti katsepinda pärast kokkupõrke toimumist. Kuigi see meetod võimaldas kahjude hindamist, ei andnud see protsessi parema mõistmise keerukate dünaamikate paremaks mõistmiseks.
See katse tugines seevastu kiirele pildistamisele, mis hõlmas osakese ja pinna sulamist löögi hetkel. Meeskond kasutas neid andmeid üldise mudeli väljatöötamiseks, et ennustada, kuidas reageerivad etteantud suuruse ja kiirusega osakesed - st kas nad põrkavad pinnalt maha, kleepuvad selle külge või kahjustavad seda sulades? Siiani on nende testid tuginenud puhtale metallpinnale, kuid meeskond loodab läbi viia täiendavaid katseid, kasutades sulameid ja muid materjale.
Samuti kavatsevad nad katsetada kokkupõrkeid erinevate nurkade alt, mitte seni katsetatud sirgete löökidega. "Saame seda laiendada kõigile olukordadele, kus erosioon on oluline," ütles David Veysset. Eesmärk on välja töötada üks funktsioon, mis annaks meile teada, kas erosioon toimub või mitte. [See aitaks inseneridel] kavandada erosioonikaitse materjale, olgu need siis kosmoses või maapinnal, kus iganes nad erosioonile vastu peavad, "lisas ta.
See uuring ja sellest tulenev mudel on lähiaastatel ja aastakümnetel tõenäoliselt väga kasulik. On laialt levinud seisukoht, et kui seda ei kontrollita, muutub kosmoseprügi probleem lähitulevikus plahvatuslikult veelgi suuremaks. Sel põhjusel tegelevad NASA, ESA ja mitmed muud kosmoseagentuurid aktiivselt kosmoseprahi leevendamise strateegiatega, mis hõlmavad massi vähendamist tiheasustusega piirkondades ja laevade kavandamist ohutute sisenemistehnoloogiate abil.
Laual on ka mitu ideed „aktiivseks eemaldamiseks”. Need ulatuvad kosmosepõhistest laseritest, mis võivad põletada prahti ja magnetilisi kosmosepukse, mis seda jäädvustaksid, kuni väikeste satelliitideni, mis võivad seda harpuunida ja deorbeerida või suruda plasmakiirte kasutades meie atmosfääri (kus see põleb).
Need ja muud strateegiad on vajalikud ajastul, mil Madal Maa orbiit pole mitte ainult kommertsialiseeritud, vaid ka asustatud; rääkimata vahepeatuse teenimisest missioonidel Kuule, Marsile ja Päikesesüsteemi sügavamale. Kui kosmoserajad lähevad hõivatuks, tuleb need vaba hoida!
