Hvis det er en ting som tiår med drift i Low Earth Orbit (LEO) har lært oss, er det at rommet er fullt av farer. I tillegg til solfakkel og kosmisk stråling, kommer en av de største farene fra romrester. Mens de største bitene med søppel (som måler mer enn 10 cm i diameter) absolutt er en trussel, er den virkelige bekymringen de mer enn 166 millioner gjenstandene som varierer i størrelse fra 1 mm til 1 cm i diameter.
Selv om de er små kan disse bitene med søppel nå hastigheter på opptil 56 000 km / t (34 800 mph) og er umulige å spore ved å bruke gjeldende metoder. På grunn av hastigheten deres, har det som skjer i påvirkningsøyeblikket aldri blitt klart forstått. Imidlertid har et forskerteam fra MIT nylig gjennomført den første detaljerte høyhastighetsavbildning og analyse av mikropartikkelenes påvirkningsprosess, som vil komme godt med når du utvikler strategier for avbøtning av romrester.
Funnene deres er beskrevet i en artikkel som nylig dukket opp i tidsskriftet Naturkommunikasjon. Studien ble ledet av Mostafa Hassani-Gangaraj, en postdoktor tilknyttet MITs Department of Materials Science and Engineering (DMSE). Han fikk selskap av prof. Christopher Schuh (avdelingsleder for DMSE), samt personalforsker David Veysset og prof. Keith Nelson ved MITs Institute for Soldier Nanotechnologies.
Mikropartikkelpåvirkning brukes til en rekke dagligdags industrielle bruksområder, alt fra påføring av belegg og rengjøring av overflater til kuttematerialer og sandblåsing (der partikler akselereres til supersoniske hastigheter). Men til nå har disse prosessene blitt kontrollert uten en solid forståelse av den underliggende fysikken som er involvert.
Av hensyn til studien prøvde Hassani-Gangaraj og teamet hans å gjennomføre den første studien som undersøker hva som skjer med mikropartikler og overflater i påvirkningsøyeblikket. Dette ga to store utfordringer: for det første at partiklene som er involvert kjører oppover en kilometer per sekund (3600 km / t; 2237 mph), noe som betyr at innvirkningshendelser finner sted ekstremt raskt.
For det andre er partiklene i seg selv så små at det å observere dem krever svært sofistikerte instrumenter. For å håndtere disse utfordringene, stolte teamet på en mikropartikkel-påvirkningstestbed utviklet på MIT, som er i stand til å registrere innvirkningsvideoer med opptil 100 millioner bilder per sekund. De brukte deretter en laserstråle for å akselerere tinnpartikler (som måler omtrent 10 mikrometer i diameter) opp til hastigheter på 1 km / s.
En annen laser ble brukt til å belyse de flygende partiklene da de slo ned på slagoverflaten - et ark tinn. Det de fant var at når partikler beveger seg med hastigheter over en viss terskel, er det en kort periode med smelting i påkjenningsøyeblikket, som spiller en avgjørende rolle i å erodere overflaten. De brukte deretter disse dataene for å forutsi når partiklene vil sprette bort, feste eller slå materiale av en overflate og svekke det.
I industrielle applikasjoner antas det mye at høyere hastigheter vil føre til bedre resultater. Disse nye funnene motsier dette, og viser at det er et område med høyere hastigheter der styrken til et belegg eller overflaten til et materiale avtar i stedet for å bli bedre. Som Hassani-Gangaraj forklarte i en MIT-pressemelding, er denne studien viktig fordi den vil hjelpe forskere å forutsi under hvilke forhold erosjon fra påvirkninger vil finne sted:
“For å unngå det, må vi være i stand til å forutsi [hastigheten som effekten endres på]. Vi ønsker å forstå mekanismene og de eksakte forholdene når disse erosjonsprosessene kan skje. ”
Denne studien kunne belyse hva som skjer i ukontrollerte situasjoner, som når mikropartikler rammer romfartøyer og satellitter. Gitt det økende problemet med romrusk - og antallet satellitter, romfartøyer og romhabitater som forventes å bli lansert i løpet av de kommende årene - kan denne informasjonen spille en nøkkelrolle i utviklingen av strategier for å redusere konsekvenser.
En annen fordel med denne studien var modelleringen den tillot for. I det siste har forskere stolt på analyser av konsekvensanalyser etter fødsel, hvor testoverflaten ble studert etter at innvirkningen hadde funnet sted. Selv om denne metoden muliggjorde skadevurderinger, førte den ikke til en bedre forståelse av den komplekse dynamikken som var involvert i prosessen.
I kontrast, avhengige denne testen på høyhastighets avbildning som fanget smelting av partikkelen og overflaten i selve støtøyeblikket. Teamet brukte disse dataene til å utvikle en generell modell for å forutsi hvordan partikler med en gitt størrelse og gitt hastighet ville svare - dvs. vil de sprette av en overflate, holde seg til den eller erodere den ved å smelte? Så langt har testene deres avhengig av rene metalloverflater, men teamet håper å gjennomføre ytterligere tester ved bruk av legeringer og andre materialer.
De har også til hensikt å teste støt i forskjellige vinkler, i stedet for de rette påvirkningene de har testet så langt. "Vi kan utvide dette til alle situasjoner der erosjon er viktig," sa David Veysset. Målet er å utvikle “en funksjon som kan fortelle oss om erosjon vil skje eller ikke. [Det kan hjelpe ingeniører] med å designe materialer for erosjonsbeskyttelse, enten det er i verdensrommet eller på bakken, uansett hvor de vil motstå erosjon, ”la han til.
Denne studien og den resulterende modellen vil sannsynligvis komme godt med i de kommende årene og tiårene. Det er allment akseptert at hvis problemet ikke blir sjekket, vil problemet med romrester bli eksponentielt verre i nær fremtid. Av denne grunn følger NASA, ESA og flere andre romfartsorganisasjoner aktivt strategier for "avfallsmiddelredusering" - som inkluderer å redusere massen i regioner med høy tetthet og designe håndverk med trygge teknologier for gjeninnføring.
Det er også flere ideer på bordet for "aktiv fjerning" på dette tidspunktet. Disse spenner fra rombaserte lasere som kan brenne opp rusk og magnetiske romdragere som ville fange det til små satellitter som kunne harpunere og deorbitere det eller skyve det inn i atmosfæren vår (hvor den ville brenne opp) ved hjelp av plasmastråler.
Disse og andre strategier vil være nødvendige i en tid der Low Earth Orbit ikke bare kommersialiseres, men også bebodd; for ikke å nevne å tjene som et stoppested for oppdrag til Månen, Mars og dypere inn i solsystemet. Hvis romfeltene skal være opptatt, må de holdes klare!
