Om det finns en sak som decennier av verksamhet i Low Earth Orbit (LEO) har lärt oss, är det att rymden är full av faror. Förutom solfällningar och kosmisk strålning, kommer en av de största farorna från rymdskräp. Medan de största skräpbitarna (som mäter mer än 10 cm i diameter) verkligen är ett hot, är det verkliga problemet de mer än 166 miljoner objekt som sträcker sig i storlek från 1 mm till 1 cm i diameter.
Även om de är små kan dessa bitar av skräp uppnå hastigheter på upp till 56 000 km / h (34 800 km / h) och är omöjliga att spåra med nuvarande metoder. På grund av deras hastighet har vad som händer vid tidpunkten för påverkan aldrig tydligt förståts. Emellertid genomförde ett forskargrupp från MIT nyligen den första detaljerade höghastighetsavbildning och analys av påverkan på mikropartiklarna, vilket kommer att vara praktiskt när man utvecklar utjämningsstrategier för rymdavfall.
Deras resultat beskrivs i en artikel som nyligen dök upp i tidskriften Naturkommunikation. Studien leddes av Mostafa Hassani-Gangaraj, en postdoktor associerad med MIT: s avdelning för materialvetenskap och teknik (DMSE). Han förenades av prof. Christopher Schuh (avdelningschef för DMSE), samt personalforskaren David Veysset och prof. Keith Nelson från MIT: s institut för soldatnanoteknologier.
Mikropartikelpåverkan används för en mängd olika industriella tillämpningar, allt från applicering av beläggningar och rengöringsytor till skärmaterial och sandblästring (där partiklar accelereras till supersoniska hastigheter). Men fram till nu har dessa processer kontrollerats utan en gedigen förståelse för den bakomliggande fysiken.
För deras studie försökte Hassani-Gangaraj och hans team att genomföra den första studien som undersöker vad som händer med mikropartiklar och ytor vid tidpunkten för påverkan. Detta presenterade två stora utmaningar: för det första reser de involverade partiklarna upp till en kilometer per sekund (3600 km / h; 2237 mph), vilket innebär att effekthändelser sker extremt snabbt.
För det andra är själva partiklarna så små att för att observera dem krävs mycket sofistikerade instrument. För att möta dessa utmaningar förlitade teamet sig på en mikropartikelpåverkningstestbädd utvecklad vid MIT, som kan spela in effektvideor med upp till 100 miljoner bilder per sekund. De använde sedan en laserstråle för att påskynda tennpartiklar (mäta cirka 10 mikrometer i diameter) upp till hastigheter på 1 km / s.
En andra laser användes för att belysa de flygande partiklarna när de träffade slagytan - ett ark tenn. Vad de fann var att när partiklar rör sig med hastigheter över en viss tröskel, finns det en kort smältperiod vid anslaget, vilket spelar en avgörande roll för erodering av ytan. De använde sedan dessa data för att förutsäga när partiklarna kommer att studsa bort, hålla fast eller slå bort material från en yta och försvaga det.
I industriella tillämpningar antas det allmänt att högre hastigheter kommer att leda till bättre resultat. Dessa nya fynd motsäger detta och visar att det finns ett område med högre hastigheter där styrkan hos en beläggning eller ytan på ett material minskar istället för att förbättras. Som Hassani-Gangaraj förklarade i ett MIT-pressmeddelande är denna studie viktig eftersom den kommer att hjälpa forskare att förutsäga under vilka förhållanden erosion från påverkan kommer att äga rum:
”För att undvika det måste vi kunna förutsäga [hastigheten med vilken effekterna förändras]. Vi vill förstå mekanismerna och exakta förhållandena när dessa erosionsprocesser kan hända. ”
Denna studie kan belysa vad som händer i okontrollerade situationer, till exempel när mikropartiklar träffar rymdskepp och satelliter. Med tanke på det växande problemet med rymdskräp - och antalet satelliter, rymdskepp och rymdhabitater som förväntas lanseras under de kommande åren - kan denna information spela en nyckelroll i utvecklingen av strategier för att minska konsekvenserna.
En annan fördel med denna studie var modelleringen den tillät. Tidigare har forskare förlitat sig på analyser av konsekvensanalyser efter postmortem, där testytan studerades efter påverkan. Medan denna metod möjliggjorde skador bedömning, ledde den inte till en bättre förståelse av den komplexa dynamiken involverad i processen.
Däremot förlitade sig detta test på höghastighetsavbildning som fångade smältningen av partikeln och ytan precis vid anslaget. Teamet använde dessa data för att utveckla en allmän modell för att förutsäga hur partiklar av en viss storlek och given hastighet skulle reagera - dvs skulle de studsa från en yta, hålla fast vid den eller erodera den genom att smälta? Hittills har deras test förlitats på rena metallytor, men teamet hoppas kunna genomföra ytterligare tester med legeringar och andra material.
De har också för avsikt att testa stötar i olika vinklar, snarare än de raka slag som de hittills har testat. "Vi kan utvidga detta till alla situationer där erosion är viktig," sade David Veysset. Målet är att utveckla ”en funktion som kan berätta om erosion kommer att ske eller inte. [Det kan hjälpa ingenjörer] att utforma material för erosionsskydd, oavsett om det är i rymden eller på marken, var de än vill motstå erosion, ”tillade han.
Denna studie och dess resulterande modell kommer sannolikt att komma till mycket praktiskt under de kommande åren och decennierna. Det är allmänt accepterat att problemet med rymdavfall kommer att bli exponentiellt värre inom en snar framtid om den inte avmarkeras. Av denna anledning bedriver NASA, ESA och flera andra rymdbyråer aktivt strategier för att begränsa rymdavfallsreducering - som inkluderar att minska massan i regioner med hög täthet och utforma hantverk med säker återinföringsteknik.
Det finns också flera idéer på bordet för "aktivt borttagning" vid denna punkt. Dessa sträcker sig från rymdbaserade lasrar som kan bränna upp skräp och magnetiska rymd bogserbilar som skulle fånga det till små satelliter som kan harpunera och deorbit det eller skjuta det in i vår atmosfär (där det skulle brinna upp) med plasmastrålar.
Dessa och andra strategier kommer att vara nödvändiga i en tid då Low Earth Orbit inte bara kommersialiseras utan också bebodd; för att inte tala om att fungera som mellanlandning för uppdrag till månen, Mars och djupare i solsystemet. Om rymdfälten kommer att vara upptagna, måste de hållas tydliga!
