Jos on olemassa yksi asia, jonka maapallon kiertoradalla (LEO) toimiminen on vuosikymmenien ajan opettanut, on, että tila on täynnä vaaroja. Auringonvalon ja kosmisen säteilyn lisäksi yksi suurimmista vaaroista aiheutuu avaruusjätteistä. Vaikka suurimmat roskaritit (joiden halkaisija on yli 10 cm) ovat varmasti uhka, todellinen huolenaihe on yli 166 miljoonaa kohdetta, joiden koko on halkaisijaltaan 1 mm - 1 cm.
Vaikka nämä roskaritit ovat pieniä, ne voivat saavuttaa nopeuden jopa 56 000 km / h (34 800 mph) ja niitä ei voida jäljittää nykyisillä menetelmillä. Niiden nopeuden takia, mitä tapahtuu vaikutushetkellä, ei ole koskaan ymmärretty selvästi. MIT: n tutkimusryhmä kuitenkin teki äskettäin ensimmäisen yksityiskohtaisen nopean kuvantamisen ja mikrohiukkasten vaikutusprosessin analyysin, joka on hyödyllinen kehitettäessä avaruusjätteiden vähentämisstrategioita.
Heidän havaintonsa kuvataan lehdessä äskettäin ilmestyneessä lehdessä Luontoviestintä. Tutkimusta johti Mostafa Hassani-Gangaraj, tutkijatohtori MIT: n materiaalitieteiden ja tekniikan laitokselle (DMSE). Hänen kanssaan liittyivät professori Christopher Schuh (DMSE-osaston päällikkö) sekä henkilöstötutkija David Veysset ja prof. Keith Nelson MIT: n sotilas Nanoteknologian instituutista.
Mikrohiukkasvaikutuksia käytetään monissa päivittäisissä teollisissa sovelluksissa aina pinnoitusten ja puhdistuspintojen levittämisestä materiaalien leikkaamiseen ja hiekkapuhallukseen (jossa hiukkaset kiihdytetään yliäänenopeuteen). Mutta tähän asti näitä prosesseja on hallittu ilman riittävää ymmärrystä taustalla olevasta fysiikasta.
Hassani-Gangaraj ja hänen tiiminsä pyrkivät tutkimuksensa vuoksi suorittamaan ensimmäisen tutkimuksen, jossa tutkitaan mitä tapahtuu mikrohiukkasille ja pinnoille iskun hetkellä. Tämä asetti kaksi suurta haastetta: ensinnäkin mukana olevat hiukkaset kulkevat yhden kilometrin sekunnissa (3600 km / h; 2237 mph) ylöspäin, mikä tarkoittaa, että törmäystapahtumat tapahtuvat erittäin nopeasti.
Toiseksi, hiukkaset ovat itse niin pieniä, että niiden havaitseminen vaatii erittäin hienostuneita instrumentteja. Näihin haasteisiin vastaamiseksi ryhmä luottaa MIT: n kehittelemään mikrohiukkasten iskutestiin, joka pystyy tallentamaan iskuvideoita jopa 100 miljoonalla ruudulla sekunnissa. Sitten he käyttivät lasersädettä tinahiukkasten kiihdyttämiseen (halkaisija noin 10 mikrometriä) nopeuteen 1 km / s.
Toista laseria käytettiin valaisemaan lentäviä hiukkasia, kun ne osuivat iskupintaan - tinalevy. He havaitsivat, että kun hiukkaset liikkuvat tietyn kynnyksen yläpuolella olevilla nopeuksilla, törmäyshetkellä tapahtuu lyhyt sulamisaika, jolla on ratkaiseva merkitys pinnan eroosioissa. Sitten he käyttivät näitä tietoja ennustaakseen, milloin hiukkaset poistuvat, tarttuvat tai koputtavat materiaalia pinnalta ja heikentävät sitä.
Teollisuussovelluksissa oletetaan yleisesti, että suuremmat nopeudet johtavat parempiin tuloksiin. Nämä uudet havainnot ovat ristiriidassa tämän kanssa osoittaen, että on alue, jolla on suurempia nopeuksia, jolloin pinnoitteen tai materiaalin pinnan lujuus heikkenee sen sijaan, että paranee. Kuten Hassani-Gangaraj selitti MIT: n lehdistötiedotteessa, tämä tutkimus on tärkeä, koska se auttaa tutkijoita ennustamaan, missä olosuhteissa eroosio tapahtuu:
”Tämän välttämiseksi meidän on kyettävä ennustamaan [nopeus, jolla vaikutukset muuttuvat]. Haluamme ymmärtää mekanismit ja tarkat olosuhteet, jolloin nämä eroosioprosessit voivat tapahtua. ”
Tämä tutkimus voisi valaista, mitä tapahtuu hallitsemattomissa tilanteissa, kuten kun mikrohiukkaset iskevät avaruusaluksia ja satelliitteja. Kun otetaan huomioon avaruusjätteiden kasvava ongelma - ja satelliittien, avaruusalusten ja avaruusympäristöjen määrän, joiden odotetaan käynnistyvän tulevina vuosina -, näillä tiedoilla voi olla avainasemassa vaikutusten lieventämisstrategioiden kehittämisessä.
Toinen tämän tutkimuksen etu oli sen sallima mallintaminen. Aikaisemmin tutkijat ovat luottaneet törmäyskokeiden kuolemanjälkeisiin analyyseihin, joissa testipintaa tutkittiin iskun jälkeen. Vaikka tämä menetelmä salli vaurioiden arvioinnin, se ei johtanut prosessin monimutkaisen dynamiikan ymmärtämiseen paremmin.
Sitä vastoin tämä testi luotiin nopeaan kuvantamiseen, joka havaitsi hiukkasen ja pinnan sulamisen juuri iskun hetkellä. Ryhmä käytti näitä tietoja kehittääkseen yleisen mallin ennustaakseen, kuinka tietyn kokoiset ja tietyn nopeuden hiukkaset reagoivat - toisin sanoen, poistuvatko ne pinnalta, tarttuvatko siihen tai hajoavatko ne sulamalla? Toistaiseksi heidän testinsä ovat luottaneet puhtaisiin metallipintoihin, mutta ryhmä toivoo suorittavansa lisää testejä seosten ja muiden materiaalien avulla.
He aikovat myös testata iskuja useista kulmista sen sijaan, että he ovat kokeilleet suoria iskuja. "Voimme laajentaa tämän kaikkiin tilanteisiin, joissa eroosio on tärkeää", sanoi David Veysset. Tavoitteena on kehittää ”yksi toiminto, joka voi kertoa meille tapahtuuko eroosio vai ei. [Se voisi auttaa insinöörejä] suunnittelemaan materiaaleja eroosionestoa varten, olipa se sitten avaruudessa tai kentällä, minne tahansa he haluavat vastustaa eroosiota ”, hän lisäsi.
Tämä tutkimus ja sen tuloksena saatava malli ovat todennäköisesti erittäin hyödyllisiä tulevina vuosina ja vuosikymmeninä. On laajalti hyväksyttyä, että jos avaruusjätteen ongelma jätetään tarkastelematta, se pahenee räjähdysmäisesti lähitulevaisuudessa. Tästä syystä NASA, ESA ja useat muut avaruusjärjestöt toteuttavat aktiivisesti "avaruusjätteiden vähentämisstrategioita" - joihin sisältyy massan vähentäminen tiheästi alueilla ja suunnitteleminen aluksille, joilla on turvalliset paluutekniikat.
Pöydällä on myös useita ideoita "aktiiviseksi poistoksi" tässä vaiheessa. Ne vaihtelevat avaruuspohjaisista lasereista, jotka voisivat polttaa roskat ja magneettiset avaruushavainnot, jotka vangitsisivat sen, pieniin satelliitteihin, jotka voisivat harpunoida ja siirtää sen tai työntää sen ilmakehöömme (missä se palaa) plasmapalkkien avulla.
Nämä ja muut strategiat ovat välttämättömiä aikakaudella, jolloin maapallon kiertorata ei ole vain kaupallistettu, vaan myös asuttu; puhumattakaan siitä, että se toimii pysähdyspaikkana matkoilla kuuhun, Marsiin ja syvemmälle aurinkokuntaan. Jos avaruuskaistat ovat kiireisiä, ne on pidettävä puhtaina!
