Ha van egy dolog, amelyet az alacsony földi pályán (LEO) való évtizedes működés tanított nekünk, akkor az űr tele van veszélyekkel. A napsugárzások és a kozmikus sugárzás mellett az egyik legnagyobb veszély az űrhajók. Noha a legnagyobb szemét (amelynek átmérője meghaladja a 10 cm-t) minden bizonnyal veszélyt jelent, az igazi aggodalom a több mint 166 millió tárgy, amelynek mérete 1 mm-től 1 cm-ig terjed.
Miközben kicsi, ezek a szemétdarabok akár 56 000 km / h (34 800 mph) sebességet is elérhetnek, és a jelenlegi módszerekkel lehetetlen nyomon követni. Sebességük miatt soha nem értették egyértelműen, mi történik az ütközés pillanatában. A MIT kutatócsoportja azonban nemrégiben elvégezte az első nagysebességű képalkotást és a mikrorészecske-hatás folyamatának elemzését, amely hasznos lesz az űrhajók csökkentésére szolgáló stratégiák kidolgozásakor.
Megállapításaikat egy újság írja le, amely a közelmúltban jelent meg a folyóiratban Természetkommunikáció. A tanulmányt Mostafa Hassani-Gangaraj vezette, a posztdoktorátus munkatársa az MIT Anyagtudományi és Műszaki Tanszékével (DMSE). Csatlakoztak hozzá prof. Christopher Schuh (a DMSE osztályvezetõ), valamint David Veysset személyzetkutató és prof. Keith Nelson, az MIT Katonai Nanotechnológia Intézetének.
A mikrorészecske-ütéseket különféle mindennapi ipari alkalmazásokhoz használják, kezdve a bevonatok felhordásával és a felületek tisztításával, a vágóanyagokkal és a homokfúvással (ahol a részecskék felgyorsulnak a szuperszonikus sebességig). De eddig ezeket a folyamatokat irányították anélkül, hogy alaposan megértették volna a mögöttes fizikát.
Tanulmányaik érdekében Hassani-Gangaraj és csapata megpróbálta elvégezni az első tanulmányt, amely megvizsgálja, hogy mi történik a mikrorészecskékkel és a felületekkel az ütés pillanatában. Ez két fő kihívást jelentett: az egyik: a résztvevő részecskék sebessége másodpercenként egy kilométer (3600 km / h; 2237 mph), ami azt jelenti, hogy az ütközési események rendkívül gyorsan zajlanak.
Másodszor, maguk a részecskék annyira kicsik, hogy megfigyelésük nagyon kifinomult eszközöket igényel. Ezeknek a kihívásoknak a kezelésére a csapat az MIT-ben kifejlesztett mikrorészecske-ütéstesztre támaszkodott, amely képes másodpercenként akár 100 millió képkocka méretű ütési videókat rögzíteni. Ezután lézernyalábot használtunk az ón részecskék (körülbelül 10 mikrométer átmérőjű) felgyorsítására 1 km / s sebességig.
Egy második lézerrel megvilágították a repülő részecskéket, amikor azok ütköztek az ütközési felületre - egy ónlapot. Azt találták, hogy amikor a részecskék egy bizonyos küszöbérték fölötti sebességgel mozognak, akkor az ütés pillanatában rövid ideig megolvad, amely döntő szerepet játszik a felület leromlásában. Ezután ezeket az adatokat arra használják, hogy megjósolják, hogy a részecskék mikor távoznak el, tapadnak vagy kopogtatnak anyagot a felszínről, és gyengítik azt.
Az ipari alkalmazásokban széles körben feltételezik, hogy a nagyobb sebesség jobb eredményekhez vezet. Ezek az új eredmények ellentmondanak ennek, megmutatva, hogy van egy nagyobb sebességű régió, ahol a bevonat vagy az anyag felületének szilárdsága csökken, nem pedig javul. Mint Hassani-Gangaraj egy MIT sajtóközleményben kifejtette, ez a tanulmány fontos, mivel segít a tudósoknak megjósolni, hogy milyen körülmények között következik be az ütközések hatása:
„Ennek elkerülése érdekében képeseknek kell lennünk megjósolni [a hatások változásának sebességét]. Meg akarjuk érteni a mechanizmusokat és a pontos feltételeket, amikor ezek az eróziós folyamatok megtörténhetnek. "
Ez a tanulmány rávilágíthat arra, hogy mi történik ellenőrizetlen helyzetekben, például amikor a mikrorészecskék csapódnak fel az űrhajókra és a műholdakra. Tekintettel az űrhajók egyre növekvő problémájára -, valamint a műholdak, űrhajók és űrlakások számára várhatóan az elkövetkező években történő elindítására -, ezek az információk kulcsszerepet játszhatnak a hatáscsökkentési stratégiák kidolgozásában.
A tanulmány másik előnye volt a modellezés, amelyre megengedett. A múltban a tudósok az ütközésteszt utáni elemzéseire támaszkodtak, ahol a teszt felületét az ütés bekövetkezése után vizsgálták. Noha ez a módszer lehetővé tette a károk felmérését, nem eredményezte a folyamat komplex dinamikájának jobb megértését.
Ezzel szemben a teszt nagysebességű képalkotásra támaszkodott, amely rögzítette a részecske és a felület olvadását az ütközés pillanatában. A csapat ezeket az adatokat egy általános modell kidolgozására használta, hogy megjósolja, hogy egy adott méretű és adott sebességű részecskék hogyan reagálnak - azaz lepattannak egy felületről, tapadnak hozzá vagy megsemmisítik azt olvadással? Eddig teszteik a tiszta fémfelületekre támaszkodtak, ám a csapat reméli, hogy további teszteket végez ötvözetek és más anyagok felhasználásával.
Emellett különféle szögekből kívánják kipróbálni az ütéseket, nem pedig az eddig tesztelt egyenes ütéseket. "Ezt kiterjeszthetjük minden olyan helyzetre, ahol az erózió fontos" - mondta David Veysset. A cél egy olyan funkció kifejlesztése, amely megmondja nekünk, hogy az erózió megtörténik-e vagy sem. [Ez segíthet a mérnököknek] az erózióvédelemhez szükséges anyagok megtervezésében, legyen az űrben vagy földön, bárhol is akarnak ellenállni az eróziónak ”- tette hozzá.
Ez a tanulmány és az abból származó modell valószínűleg nagyon hasznos lesz az elkövetkező években és évtizedekben. Széles körben elfogadott tény, hogy ha nem hagyják figyelmen kívül, az űrhajók problémája exponenciálisan súlyosbodni fog a közeljövőben. Ezért a NASA, az ESA és számos más űrügynökség aktívan folytatja az űrhajók csökkentésének stratégiáit - amelyek magukban foglalják a tömeg csökkentését a nagy sűrűségű régiókban és a biztonságos visszatérési technológiával rendelkező vízi járművek tervezését.
Ezen a ponton számos ötlet található az asztalon az „aktív eltávolításért”. Ezek között vannak az űrlapú lézerek, amelyek elégethetik a törmeléket és a mágneses űrkísérleteket, és amelyek kis méretű műholdakhoz képesek, hogy plafonnyalábokkal harpánolják és lebegőképessé tegyék őket, vagy légkörünkbe toljanak (ahol megégne).
Ezekre és más stratégiákra lesz szükség egy olyan korban, amikor az alacsony földi pályát nemcsak forgalomba hozzák, hanem lakják is; nem is beszélve arról, hogy megállási pontként szolgálnak a Holdra, a Marsra és a Naprendszerbe való mélyebb küldetésekre. Ha az űrsávok elfoglaltak, akkor azokat szabadon kell tartani!
