Als er iets is dat decennia van werken in Low Earth Orbit (LEO) ons heeft geleerd, dan is het dat de ruimte vol gevaren is. Naast zonnevlammen en kosmische straling komt een van de grootste gevaren van ruimtepuin. Hoewel de grootste stukjes rommel (met een diameter van meer dan 10 cm) zeker een bedreiging vormen, zijn de echte zorgen de meer dan 166 miljoen objecten die in grootte variëren van 1 mm tot 1 cm in diameter.
Hoewel ze klein zijn, kunnen deze stukjes rommel snelheden tot 56.000 km / h (34.800 mph) bereiken en zijn ze met de huidige methoden onmogelijk te volgen. Wat er op het moment van impact gebeurt, is vanwege hun snelheid nooit goed begrepen. Een onderzoeksteam van MIT heeft onlangs echter de eerste gedetailleerde snelle beeldvorming en analyse van het microdeeltje-inslagproces uitgevoerd, wat handig zal zijn bij het ontwikkelen van strategieën voor het verminderen van ruimteafval.
Hun bevindingen worden beschreven in een paper dat onlangs in het tijdschrift verscheen Nature Communications. De studie werd geleid door Mostafa Hassani-Gangaraj, een postdoctoraal medewerker bij MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE). Hij werd vergezeld door prof. Christopher Schuh (het afdelingshoofd van de DMSE), evenals stafonderzoeker David Veysset en prof. Keith Nelson van het MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies.
Impacts van microdeeltjes worden gebruikt voor een verscheidenheid aan alledaagse industriële toepassingen, variërend van het aanbrengen van coatings en reinigingsoppervlakken tot het snijden van materialen en zandstralen (waarbij deeltjes worden versneld tot supersonische snelheden). Maar tot nu toe werden deze processen gecontroleerd zonder een goed begrip van de onderliggende fysica.
Omwille van hun studie probeerden Hassani-Gangaraj en zijn team de eerste studie uit te voeren die onderzoekt wat er gebeurt met microdeeltjes en oppervlakken op het moment van impact. Dit leverde twee grote uitdagingen op: ten eerste reizen de betrokken deeltjes met een snelheid van meer dan één kilometer per seconde (3600 km / h; 2237 mph), wat betekent dat impactgebeurtenissen extreem snel plaatsvinden.
Ten tweede zijn de deeltjes zelf zo klein dat voor het observeren ervan zeer geavanceerde instrumenten nodig zijn. Om deze uitdagingen aan te gaan, vertrouwde het team op een impactbed voor microdeeltjes dat is ontwikkeld bij MIT, dat impactvideo's kan opnemen met maximaal 100 miljoen frames per seconde. Vervolgens gebruikten ze een laserstraal om tindeeltjes (met een diameter van ongeveer 10 micrometer) te versnellen tot snelheden van 1 km / s.
Een tweede laser werd gebruikt om de rondvliegende deeltjes te verlichten toen ze het inslagoppervlak raakten - een blik. Wat ze ontdekten was dat wanneer deeltjes bewegen met snelheden boven een bepaalde drempel, er een korte periode van smelten is op het moment van impact, wat een cruciale rol speelt bij het eroderen van het oppervlak. Vervolgens gebruikten ze deze gegevens om te voorspellen wanneer de deeltjes wegstuiteren, plakken of materiaal van een oppervlak afslaan en het verzwakken.
Bij industriële toepassingen wordt algemeen aangenomen dat hogere snelheden tot betere resultaten zullen leiden. Deze nieuwe bevindingen spreken dit tegen en laten zien dat er een gebied is met hogere snelheden waar de sterkte van een coating of het oppervlak van een materiaal afneemt in plaats van verbetert. Zoals Hassani-Gangaraj uitlegde in een MIT-persbericht, is deze studie belangrijk omdat het wetenschappers zal helpen voorspellen onder welke omstandigheden erosie door impacts zal plaatsvinden:
“Om dat te voorkomen, moeten we kunnen voorspellen [de snelheid waarmee de effecten veranderen]. We willen de mechanismen en de exacte voorwaarden begrijpen wanneer deze erosieprocessen kunnen plaatsvinden. ”
Deze studie zou licht kunnen werpen op wat er gebeurt in ongecontroleerde situaties, zoals wanneer microdeeltjes ruimtevaartuigen en satellieten raken. Gezien het groeiende probleem van ruimtepuin - en het aantal satellieten, ruimtevaartuigen en ruimtehabitats dat naar verwachting in de komende jaren zal worden gelanceerd - zou deze informatie een sleutelrol kunnen spelen bij de ontwikkeling van strategieën voor effectvermindering.
Een ander voordeel van deze studie was de modellering die het mogelijk maakte. In het verleden vertrouwden wetenschappers op postmortale analyses van impacttests, waarbij het testoppervlak werd bestudeerd nadat de impact had plaatsgevonden. Hoewel deze methode schadebeoordelingen mogelijk maakte, leidde het niet tot een beter begrip van de complexe dynamiek die bij het proces betrokken is.
Deze test was daarentegen gebaseerd op snelle beeldvorming die het smelten van het deeltje en het oppervlak op het moment van de botsing vastlegde. Het team gebruikte deze gegevens om een algemeen model te ontwikkelen om te voorspellen hoe deeltjes van een bepaalde grootte en gegeven snelheid zouden reageren - d.w.z. zouden ze tegen een oppervlak stuiteren, eraan blijven plakken of het eroderen door te smelten? Tot dusverre waren hun tests gebaseerd op puur metalen oppervlakken, maar het team hoopt verdere tests uit te voeren met legeringen en andere materialen.
Ze zijn ook van plan de impacts onder verschillende hoeken te testen, in plaats van de rechte impacts die ze tot nu toe hebben getest. 'We kunnen dit uitbreiden naar elke situatie waarin erosie belangrijk is', zei David Veysset. Het doel is om 'één functie te ontwikkelen die ons kan vertellen of erosie zal plaatsvinden of niet. [Dat zou ingenieurs kunnen helpen] om materialen te ontwerpen voor erosiebescherming, of het nu in de ruimte is of op de grond, waar ze erosie ook willen weerstaan, 'voegde hij eraan toe.
Deze studie en het resulterende model zullen de komende jaren en decennia waarschijnlijk van pas komen. Het wordt algemeen aanvaard dat het probleem van ruimtepuin in de nabije toekomst exponentieel groter zal worden als het niet wordt aangevinkt. Om deze reden werken NASA, ESA en verschillende andere ruimtevaartagentschappen actief aan strategieën ter beperking van ruimteafval - waaronder het verminderen van massa in gebieden met een hoge dichtheid en het ontwerpen van vaartuigen met veilige re-entry-technologieën.
Er liggen op dit moment ook verschillende ideeën op tafel voor "actieve verwijdering". Deze variëren van op de ruimte gebaseerde lasers die puin zouden kunnen verbranden en magnetische ruimtetrekkers die het zouden vangen, tot kleine satellieten die het zouden kunnen harpoeneren en ontbinden of het in onze atmosfeer zouden duwen (waar het zou opbranden) met behulp van plasmabundels.
Deze en andere strategieën zullen nodig zijn in een tijdperk waarin Low Earth Orbit niet alleen wordt gecommercialiseerd, maar ook bewoond wordt; niet te vergeten het dienen als tussenstop voor missies naar de maan, Mars en dieper in het zonnestelsel. Als de ruimtestroken druk zullen zijn, moeten ze vrijgehouden worden!
