Wenn es eine Sache gibt, die uns jahrzehntelanger Betrieb im Low Earth Orbit (LEO) gelehrt hat, dann ist der Weltraum voller Gefahren. Neben Sonneneruptionen und kosmischer Strahlung geht eine der größten Gefahren von Weltraummüll aus. Während die größten Schrottstücke (mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm) sicherlich eine Bedrohung darstellen, sind die mehr als 166 Millionen Objekte mit einer Größe von 1 mm bis 1 cm Durchmesser die eigentliche Sorge.
Obwohl diese Schrottstücke winzig sind, können sie Geschwindigkeiten von bis zu 56.000 km / h erreichen und sind mit den derzeitigen Methoden nicht zu verfolgen. Was im Moment des Aufpralls passiert, wurde aufgrund ihrer Geschwindigkeit nie klar verstanden. Ein Forschungsteam des MIT führte jedoch kürzlich die erste detaillierte Hochgeschwindigkeitsbildgebung und -analyse des Aufprallprozesses von Mikropartikeln durch, die sich bei der Entwicklung von Strategien zur Minderung von Weltraummüll als nützlich erweisen wird.
Ihre Ergebnisse werden in einem Artikel beschrieben, der kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation. Die Studie wurde von Mostafa Hassani-Gangaraj geleitet, einem Postdoktoranden am Department of Materials Science and Engineering (DMSE) des MIT. Zu ihm gesellten sich Prof. Christopher Schuh (Abteilungsleiter DMSE) sowie der Mitarbeiterforscher David Veysset und Prof. Keith Nelson vom MIT-Institut für Soldaten-Nanotechnologien.
Mikropartikelstöße werden für eine Vielzahl von industriellen Alltagsanwendungen verwendet, die vom Aufbringen von Beschichtungen und Reinigungsoberflächen über das Schneiden von Materialien bis hin zum Sandstrahlen (bei dem Partikel auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden) reichen. Bisher wurden diese Prozesse jedoch ohne ein solides Verständnis der zugrunde liegenden Physik gesteuert.
Für ihre Studie versuchten Hassani-Gangaraj und sein Team, die erste Studie durchzuführen, in der untersucht wird, was mit Mikropartikeln und Oberflächen im Moment des Aufpralls passiert. Dies stellte zwei große Herausforderungen dar: Erstens bewegen sich die beteiligten Partikel mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem Kilometer pro Sekunde (3600 km / h), was bedeutet, dass Aufprallereignisse extrem schnell stattfinden.
Zweitens sind die Partikel selbst so klein, dass für ihre Beobachtung hochentwickelte Instrumente erforderlich sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzte das Team auf ein am MIT entwickeltes Mikropartikel-Schlagprüfstand, mit dem Schlagvideos mit bis zu 100 Millionen Bildern pro Sekunde aufgezeichnet werden können. Anschließend beschleunigten sie mit einem Laserstrahl Zinnpartikel (mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern) auf Geschwindigkeiten von 1 km / s.
Ein zweiter Laser wurde verwendet, um die fliegenden Partikel beim Auftreffen auf die Aufprallfläche zu beleuchten - eine Blechplatte. Was sie fanden, war, dass, wenn sich Partikel mit Geschwindigkeiten über einer bestimmten Schwelle bewegen, es zum Zeitpunkt des Aufpralls eine kurze Schmelzperiode gibt, die eine entscheidende Rolle beim Erodieren der Oberfläche spielt. Sie verwendeten diese Daten dann, um vorherzusagen, wann die Partikel von einer Oberfläche abprallen, haften oder Material abschlagen und es schwächen werden.
In industriellen Anwendungen wird allgemein angenommen, dass höhere Geschwindigkeiten zu besseren Ergebnissen führen. Diese neuen Erkenntnisse widersprechen dem und zeigen, dass es einen Bereich mit höheren Geschwindigkeiten gibt, in dem die Festigkeit einer Beschichtung oder die Oberfläche eines Materials abnimmt, anstatt sich zu verbessern. Wie Hassani-Gangaraj in einer Pressemitteilung des MIT erklärte, ist diese Studie wichtig, da sie Wissenschaftlern helfen wird, vorherzusagen, unter welchen Bedingungen Erosion durch Stöße stattfinden wird:
„Um dies zu vermeiden, müssen wir in der Lage sein, [die Geschwindigkeit, mit der sich die Effekte ändern] vorherzusagen. Wir wollen die Mechanismen und genauen Bedingungen verstehen, unter denen diese Erosionsprozesse stattfinden können. “
Diese Studie könnte Aufschluss darüber geben, was in unkontrollierten Situationen passiert, beispielsweise wenn Mikropartikel auf Raumfahrzeuge und Satelliten treffen. Angesichts des wachsenden Problems der Weltraummüll - und der Anzahl der Satelliten, Raumfahrzeuge und Weltraumlebensräume, die voraussichtlich in den kommenden Jahren gestartet werden - könnten diese Informationen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Strategien zur Abschwächung der Auswirkungen spielen.
Ein weiterer Vorteil dieser Studie war die Modellierung, die sie ermöglichte. In der Vergangenheit haben sich Wissenschaftler auf postmortale Analysen von Aufpralltests verlassen, bei denen die Testoberfläche nach dem Aufprall untersucht wurde. Diese Methode ermöglichte zwar Schadensbewertungen, führte jedoch nicht zu einem besseren Verständnis der komplexen Dynamik des Prozesses.
Im Gegensatz dazu beruhte dieser Test auf einer Hochgeschwindigkeitsbildgebung, die das Schmelzen des Partikels und der Oberfläche im Moment des Aufpralls erfasste. Das Team verwendete diese Daten, um ein allgemeines Modell zu entwickeln, um vorherzusagen, wie Partikel einer bestimmten Größe und Geschwindigkeit reagieren würden - d. H. Würden sie von einer Oberfläche abprallen, daran haften oder sie durch Schmelzen erodieren? Bisher stützten sich ihre Tests auf reine Metalloberflächen, aber das Team hofft, weitere Tests mit Legierungen und anderen Materialien durchführen zu können.
Sie beabsichtigen auch, Stöße unter verschiedenen Winkeln zu testen, anstatt die geraden Stöße, die sie bisher getestet haben. "Wir können dies auf jede Situation ausweiten, in der Erosion wichtig ist", sagte David Veysset. Ziel ist es, „eine Funktion zu entwickeln, die uns sagen kann, ob Erosion stattfinden wird oder nicht. [Das könnte Ingenieuren helfen], Materialien für den Erosionsschutz zu entwerfen, sei es im Weltraum oder am Boden, wo immer sie der Erosion widerstehen wollen “, fügte er hinzu.
Diese Studie und das daraus resultierende Modell dürften in den kommenden Jahren und Jahrzehnten sehr nützlich sein. Es ist allgemein anerkannt, dass sich das Problem der Weltraummüll in naher Zukunft exponentiell verschlimmern wird, wenn es nicht aktiviert wird. Aus diesem Grund verfolgen die NASA, die ESA und mehrere andere Weltraumagenturen aktiv Strategien zur Minderung von Weltraummüll. Dazu gehören die Reduzierung der Masse in Regionen mit hoher Dichte und die Entwicklung von Fahrzeugen mit sicheren Wiedereintrittstechnologien.
An dieser Stelle stehen auch einige Ideen für die „aktive Entfernung“ auf dem Tisch. Diese reichen von weltraumgestützten Lasern, die Trümmer verbrennen könnten, und magnetischen Raumschleppern, die sie einfangen würden, bis zu kleinen Satelliten, die sie mit Plasmastrahlen harpunieren und desorbieren oder in unsere Atmosphäre (wo sie verbrennen würden) drücken könnten.
Diese und andere Strategien werden in einer Zeit notwendig sein, in der die Erdumlaufbahn nicht nur kommerzialisiert, sondern auch bewohnt wird. Ganz zu schweigen von einem Zwischenstopp für Missionen zum Mond, zum Mars und tiefer ins Sonnensystem. Wenn die Weltraumspuren besetzt sein sollen, müssen sie frei gehalten werden!
