Ja ir viena lieta, ko mums ir mācījusi gadu desmitiem ilgā darbība Zemajā orbītā (LEO), tad kosmoss ir pilns ar briesmām. Papildus saules uzliesmojumiem un kosmiskajam starojumam vienu no vislielākajām briesmām rada kosmosa gruveši. Kaut arī lielākais nevēlamā gabala gabals (kura diametrs pārsniedz 10 cm) noteikti rada draudus, patiesās bažas rada vairāk nekā 166 miljoni objektu, kuru izmērs ir no 1 mm līdz 1 cm diametrā.
Lai arī tie ir niecīgi, tie var sasniegt ātrumu līdz 56 000 km / h (34 800 mph), un tos nav iespējams izsekot, izmantojot pašreizējās metodes. Ātruma dēļ tas, kas notiek trieciena brīdī, nekad nav bijis skaidri saprotams. Tomēr nesen MIT pētījumu grupa veica pirmo detalizēto ātrgaitas attēlveidošanu un mikrodaļiņu ietekmes procesa analīzi, kas būs noderīga, izstrādājot kosmosa atlūzu mazināšanas stratēģijas.
Viņu atradumi ir aprakstīti rakstā, kas nesen parādījās žurnālā Dabas sakari. Pētījumu vadīja Mostafa Hassani-Gangaraj, pēcdoktorantūras asociētais loceklis ar MIT Materiālzinātnes un inženierzinātņu departamentu (DMSE). Viņam pievienojās prof. Kristofers Šū (DMSE nodaļas vadītājs), kā arī personāla pētnieks Deivids Veissets un prof. Keita Nelsona no MIT Karavīru nanotehnoloģiju institūta.
Mikrodaļiņu triecieni tiek izmantoti dažādiem ikdienas rūpnieciskiem lietojumiem, sākot ar pārklājumu un virsmu tīrīšanu un beidzot ar materiālu griešanu un smilšu strūklu (kur daļiņas tiek paātrinātas līdz virsskaņas ātrumam). Bet līdz šim šie procesi tika kontrolēti bez skaidras izpratnes par iesaistīto fiziku.
Sava pētījuma nolūkos Hassani-Gangarajs un viņa komanda centās veikt pirmo pētījumu, kas pēta to, kas notiek ar mikrodaļiņām un virsmām trieciena brīdī. Tas izvirzīja divus galvenos izaicinājumus: pirmkārt, iesaistītās daļiņas pārvietojas ar ātrumu virs viena kilometra sekundē (3600 km / h; 2237 mph), kas nozīmē, ka trieciena notikumi notiek ārkārtīgi ātri.
Otrkārt, pašas daļiņas ir tik niecīgas, ka to novērošanai nepieciešami ļoti sarežģīti instrumenti. Lai risinātu šīs problēmas, komanda paļāvās uz MIT izstrādātu mikrodaļiņu trieciena testu, kas spēj ierakstīt trieciena video ar ātrumu līdz 100 miljoniem kadru sekundē. Pēc tam viņi izmantoja lāzera staru, lai paātrinātu alvas daļiņas (diametrā aptuveni 10 mikrometri) līdz 1 km / s ātrumam.
Otro lāzeru izmantoja, lai apgaismotu lidojošās daļiņas, kad tās skāra trieciena virsmu - alvas loksni. Viņi atklāja, ka tad, kad daļiņas pārvietojas ar ātrumu virs noteikta sliekšņa, trieciena brīdī ir īss kušanas periods, kam ir izšķiroša loma virsmas graušanā. Pēc tam viņi izmantoja šos datus, lai paredzētu, kad daļiņas atdalīsies, pielīp vai notriec materiālu no kādas virsmas un vājina to.
Rūpnieciskos lietojumos tiek plaši pieņemts, ka lielāks ātrums nodrošinās labākus rezultātus. Šie jaunie atklājumi ir pretrunā ar to, parādot, ka ir reģions ar lielāku ātrumu, kur pārklājuma vai materiāla virsmas izturība samazinās, nevis uzlabojas. Kā Hassani-Gangaraj paskaidroja MIT paziņojumā presei, šis pētījums ir svarīgs, jo tas palīdzēs zinātniekiem paredzēt, kādos apstākļos notiks erozija no triecieniem:
“Lai no tā izvairītos, mums jāspēj paredzēt [ātrumu, kādā mainās efekti]. Mēs vēlamies izprast mehānismus un precīzus apstākļus, kad šie erozijas procesi var notikt. ”
Šis pētījums varētu atklāt to, kas notiek nekontrolētās situācijās, piemēram, kad mikrodaļiņas streiko kosmosa kuģos un satelītos. Ņemot vērā pieaugošo kosmosa atlūzu problēmu un satelītu, kosmosa kuģu un kosmosa biotopu skaitu, kurus paredzēts palaist nākamajos gados, šai informācijai varētu būt galvenā loma ietekmes mazināšanas stratēģiju izstrādē.
Vēl viens šī pētījuma ieguvums bija modelēšana, ko tā ļāva veikt. Agrāk zinātnieki ir paļāvušies uz trieciena testu postmortem analīzēm, kurās testa virsma tika pētīta pēc trieciena. Lai gan šī metode ļāva novērtēt bojājumus, tā neļāva labāk izprast procesā iesaistīto sarežģīto dinamiku.
Turpretī šis tests paļāvās uz ātrdarbīgu attēlveidošanu, kas uztvēra daļiņas un virsmas kušanu tajā pašā trieciena brīdī. Komanda izmantoja šos datus, lai izstrādātu vispārēju modeli, lai paredzētu, kā reaģēs noteikta lieluma un dotā ātruma daļiņas - t.i., vai tās atleks no kādas virsmas, pielips pie tās vai sagraus to kausējot? Līdz šim viņu testi ir balstījušies uz tīru metāla virsmu, bet komanda cer veikt turpmākus testus, izmantojot sakausējumus un citus materiālus.
Viņi arī plāno pārbaudīt triecienus dažādos leņķos, nevis taisnos triecienus, ko viņi līdz šim pārbaudījuši. "Mēs to varam attiecināt uz katru situāciju, kad erozija ir svarīga," sacīja Deivids Veissets. Mērķis ir attīstīt “vienu funkciju, kas mums var pateikt, vai erozija notiks vai ne. [Tas varētu palīdzēt inženieriem] izstrādāt materiālus aizsardzībai pret eroziju neatkarīgi no tā, vai tas ir kosmosā vai uz zemes, visur, kur viņi vēlas pretoties erozijai, ”viņš piebilda.
Šis pētījums un tā rezultātā iegūtais modelis, visticamāk, būs ļoti noderīgs nākamajos gados un gadu desmitos. Ir plaši atzīts, ka, ja to nekontrolē, kosmosa atlūzu problēma tuvākajā nākotnē saasināsies eksponenciāli. Šī iemesla dēļ NASA, EKA un vairākas citas kosmosa aģentūras aktīvi īsteno “kosmosa atlūzu mazināšanas” stratēģijas, kas ietver masas samazināšanu augsta blīvuma reģionos un kuģu projektēšanu ar drošām atgriešanās tehnoloģijām.
Šajā brīdī ir arī vairākas idejas “aktīvai noņemšanai”. To diapazons ir no kosmosā esošiem lāzeriem, kas varētu sadedzināt gružus un magnētiskos kosmosa vilcējus, kas to uztver, līdz maziem satelītiem, kas to var harpūnēt un deorbitēt vai virzīt mūsu atmosfērā (kur tas sadedzinātu), izmantojot plazmas starus.
Šīs un citas stratēģijas būs vajadzīgas laikmetā, kad Zemes Zemes orbīta ir ne tikai komerciāla, bet arī apdzīvota; nemaz nerunājot par kalpošanu par pieturvietu misijām uz Mēnesi, Marsu un dziļāk Saules sistēmā. Ja kosmosa joslas būs aizņemtas, tās jāatstāj brīvas!
