Hvis der er en ting, som årtiers drift i Low Earth Orbit (LEO) har lært os, er det, at pladsen er fuld af farer. Ud over solopstramninger og kosmisk stråling kommer en af de største farer fra rumrester. Mens de største uønskede bit (som måler mere end 10 cm i diameter) helt sikkert er en trussel, er den virkelige bekymring de mere end 166 millioner genstande, der strækker sig i størrelse fra 1 mm til 1 cm i diameter.
Selvom de er små, kan disse bortskaffelser nå hastigheder på op til 56.000 km / t (34.800 mph) og er umulige at spore ved hjælp af nuværende metoder. På grund af deres hastighed er det, der sker i påvirkningsøjeblikket, aldrig blevet klart forstået. Imidlertid har et forskerteam fra MIT for nylig udført den første detaljerede højhastighedsafbildning og analyse af mikropartikelpåvirkningsprocessen, som vil komme godt med, når man udvikler strategier til begrænsning af pladsrester.
Deres fund er beskrevet i et papir, der for nylig blev vist i tidsskriftet Naturkommunikation. Undersøgelsen blev ledet af Mostafa Hassani-Gangaraj, en postdoktor associeret med MITs Institut for Materialevidenskab og Teknologi (DMSE). Han blev sammen med prof. Christopher Schuh (afdelingsleder for DMSE) samt personaleforsker David Veysset og prof. Keith Nelson fra MIT's Institute for Soldier Nanotechnology.
Mikropartikelpåvirkninger bruges til en række dagligdags industrielle anvendelser, lige fra påføring af overtræk og rengøringsoverflader til skære materialer og sandblæsning (hvor partikler accelereres til supersoniske hastigheder). Men indtil nu er disse processer blevet kontrolleret uden en solid forståelse af den involverede fysiske fysik.
Af hensyn til deres undersøgelse forsøgte Hassani-Gangaraj og hans team at gennemføre den første undersøgelse, der undersøger, hvad der sker med mikropartikler og overflader i påvirkningsøjeblikket. Dette frembød to store udfordringer: for det første rejser de involverede partikler op ad en kilometer i sekundet (3600 km / t; 2237 mph), hvilket betyder, at påvirkningsbegivenheder finder sted ekstremt hurtigt.
For det andet er partiklerne i sig selv så små, at det kræver meget sofistikerede instrumenter at observere dem. For at imødegå disse udfordringer har teamet været afhængig af en mikropartikel-påvirkningstestbed udviklet hos MIT, som er i stand til at optage påvirkningsvideoer med op til 100 millioner rammer pr. De brugte derefter en laserstråle til at accelerere tinpartikler (måling ca. 10 mikrometer i diameter) op til hastigheder på 1 km / s.
En anden laser blev brugt til at belyse de flyvende partikler, da de ramte slagoverfladen - et ark tin. Hvad de fandt, var, at når partikler bevæger sig i hastigheder over en bestemt tærskel, er der en kort periode med smeltning på tidspunktet for påvirkningen, hvilket spiller en afgørende rolle for erodering af overfladen. De brugte derefter disse data til at forudsige, hvornår partiklerne vil hoppe væk, klæbe eller slå materiale af en overflade og svække det.
I industrielle applikationer antages det vidt, at højere hastigheder vil føre til bedre resultater. Disse nye fund modsiger dette, hvilket viser, at der er et område med højere hastigheder, hvor styrken af en belægning eller overfladen af et materiale falder i stedet for at blive bedre. Som Hassani-Gangaraj forklarede i en MIT-pressemeddelelse, er denne undersøgelse vigtig, fordi den vil hjælpe forskere med at forudsige under hvilke betingelser erosion fra påvirkninger vil finde sted:
”For at undgå det skal vi være i stand til at forudsige [hastigheden, hvormed virkningerne ændres]. Vi ønsker at forstå mekanismerne og de nøjagtige forhold, når disse erosionsprocesser kan ske. ”
Denne undersøgelse kunne kaste lys over, hvad der sker i ukontrollerede situationer, som når mikropartikler rammer rumfartøjer og satellitter. I betragtning af det voksende problem med rumfald - og antallet af satellitter, rumfartøjer og rumhabitater, som forventes at blive lanceret i de kommende år - kunne disse oplysninger spille en nøglerolle i udviklingen af strategier til begrænsning af virkningen.
En anden fordel ved denne undersøgelse var den modellering, det tillod for. Tidligere har videnskabsmænd været afhængige af postmortemanalyser af påvirkningsforsøg, hvor testoverfladen blev undersøgt efter påvirkningen havde fundet sted. Selvom denne metode muliggjorde skadesvurderinger, førte den ikke til en bedre forståelse af den komplekse dynamik, der var involveret i processen.
I modsætning hertil var denne test afhængig af billedbehandling i høj hastighed, der fangede smeltningen af partiklen og overfladen lige i påvirkningsøjeblikket. Holdet brugte disse data til at udvikle en generel model til at forudsige, hvordan partikler i en given størrelse og den givne hastighed ville reagere - dvs. vil de hoppe fra en overflade, holde sig til den eller erodere dem ved at smelte? Indtil videre har deres tests været afhængige af rene metaloverflader, men teamet håber at gennemføre yderligere test ved hjælp af legeringer og andre materialer.
De har også til hensigt at teste stød i forskellige vinkler i stedet for de lige stød, de hidtil har testet. ”Vi kan udvide dette til enhver situation, hvor erosion er vigtig,” sagde David Veysset. Målet er at udvikle ”en funktion, der kan fortælle os, om erosion vil ske eller ej. [Det kunne hjælpe ingeniører] med at designe materialer til erosionsbeskyttelse, hvad enten det er i rummet eller på jorden, uanset hvor de vil modstå erosion, ”tilføjede han.
Denne undersøgelse og dens resulterende model vil sandsynligvis komme til at være meget praktisk i de kommende år og årtier. Det er bredt accepteret, at hvis problemet ikke er markeret, vil problemet med pladsrester blive eksponentielt værre i den nærmeste fremtid. Af denne grund forfølger NASA, ESA og flere andre rumfartsagenturer aktivt strategier for ”reduktion af pladsaffald” - som inkluderer reduktion af masse i regioner med høj densitet og design af håndværk med sikre genindrejseteknologier.
Der er også flere ideer på bordet til "aktiv fjernelse" på dette tidspunkt. Disse spænder fra rumbaserede lasere, der kunne brænde op affald og magnetiske rumtræk, der ville fange det til små satellitter, der kunne harpunere og deorbitere det eller skubbe det ind i vores atmosfære (hvor det ville brænde op) ved hjælp af plasmastråler.
Disse og andre strategier vil være nødvendige i en tid, hvor Low Earth Orbit ikke kun kommercialiseres, men også beboet; for ikke at nævne at tjene som mellemlanding for missioner til Månen, Mars og dybere ind i solsystemet. Hvis rumbanerne bliver travlt, skal de holdes klare!
