Se c'è una cosa che ci ha insegnato decenni di operatività nell'orbita terrestre bassa (LEO), è che lo spazio è pieno di pericoli. Oltre ai brillamenti solari e alle radiazioni cosmiche, uno dei maggiori pericoli deriva dai detriti spaziali. Mentre i più grandi frammenti di spazzatura (che misurano più di 10 cm di diametro) sono certamente una minaccia, la vera preoccupazione sono gli oltre 166 milioni di oggetti che variano in dimensioni da 1 mm a 1 cm di diametro.
Anche se minuscoli, questi frammenti di spazzatura possono raggiungere velocità fino a 56.000 km / h (34.800 mph) e sono impossibili da tracciare con i metodi attuali. A causa della loro velocità, ciò che accade al momento dell'impatto non è mai stato compreso chiaramente. Tuttavia, un team di ricerca del MIT ha recentemente condotto la prima imaging ad alta velocità dettagliato e l'analisi del processo di impatto delle microparticelle, che sarà utile durante lo sviluppo di strategie di mitigazione dei detriti spaziali.
Le loro scoperte sono descritte in un articolo apparso di recente sulla rivista Nature Communications. Lo studio è stato condotto da Mostafa Hassani-Gangaraj, un associato post-dottorato con il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT (DMSE). A lui si sono uniti il Prof. Christopher Schuh (capo dipartimento DMSE), nonché il ricercatore dello staff David Veysset e il Prof. Keith Nelson dell'Istituto per le nanotecnologie del soldato del MIT.
Gli impatti delle microparticelle vengono utilizzati per una varietà di applicazioni industriali quotidiane, che vanno dall'applicazione di rivestimenti e superfici di pulizia a materiali da taglio e sabbiatura (dove le particelle vengono accelerate a velocità supersoniche). Ma fino ad ora, questi processi sono stati controllati senza una solida comprensione della fisica sottostante coinvolta.
Per motivi di studio, Hassani-Gangaraj e il suo team hanno cercato di condurre il primo studio che esamina ciò che accade alle microparticelle e alle superfici al momento dell'impatto. Ciò presentava due grandi sfide: in primo luogo, le particelle coinvolte viaggiano verso l'alto di un chilometro al secondo (3600 km / h; 2237 mph), il che significa che gli eventi di impatto si svolgono in modo estremamente rapido.
In secondo luogo, le particelle stesse sono così piccole che osservarle richiede strumenti altamente sofisticati. Per far fronte a queste sfide, il team ha fatto affidamento su un banco di prova a impatto di microparticelle sviluppato presso il MIT, in grado di registrare video di impatto fino a 100 milioni di fotogrammi al secondo. Hanno quindi utilizzato un raggio laser per accelerare le particelle di stagno (che misurano circa 10 micrometri di diametro) fino a velocità di 1 km / s.
Un secondo laser è stato usato per illuminare le particelle volanti mentre colpivano la superficie di impatto - un foglio di stagno. Ciò che hanno scoperto è che quando le particelle si muovono a velocità superiori a una certa soglia, si verifica un breve periodo di fusione al momento dell'impatto, che svolge un ruolo cruciale nell'erosione della superficie. Hanno quindi usato questi dati per prevedere quando le particelle rimbalzerebbero via, si attaccerebbero o porterebbero via materiale da una superficie e lo indebolirebbero.
Nelle applicazioni industriali, si presume ampiamente che velocità più elevate porteranno a risultati migliori. Questi nuovi risultati contraddicono questo, dimostrando che esiste una regione a velocità più elevate in cui la forza di un rivestimento o la superficie di un materiale diminuisce invece di migliorare. Come ha spiegato Hassani-Gangaraj in un comunicato stampa del MIT, questo studio è importante perché aiuterà gli scienziati a prevedere in quali condizioni si verificherà l'erosione da impatti:
“Per evitarlo, dobbiamo essere in grado di prevedere [la velocità con cui cambiano gli effetti]. Vogliamo comprendere i meccanismi e le condizioni esatte in cui questi processi di erosione possono verificarsi. "
Questo studio potrebbe far luce su ciò che accade in situazioni incontrollate, come quando le microparticelle colpiscono veicoli spaziali e satelliti. Dato il crescente problema dei detriti spaziali - e il numero di satelliti, veicoli spaziali e habitat spaziali che dovrebbero essere lanciati nei prossimi anni - queste informazioni potrebbero svolgere un ruolo chiave nello sviluppo di strategie di mitigazione dell'impatto.
Un altro vantaggio di questo studio è stato il modello che ha permesso. In passato, gli scienziati hanno fatto affidamento sulle analisi post mortem dei test di impatto, in cui la superficie del test è stata studiata dopo l'impatto. Mentre questo metodo ha consentito la valutazione dei danni, non ha portato a una migliore comprensione delle complesse dinamiche coinvolte nel processo.
Al contrario, questo test si è basato sull'imaging ad alta velocità che ha catturato lo scioglimento della particella e della superficie nel momento stesso dell'impatto. Il team ha utilizzato questi dati per sviluppare un modello generale per prevedere in che modo reagirebbero particelle di una determinata dimensione e data velocità, ovvero rimbalzarebbero su una superficie, aderirebbero ad essa o eroderebbero fondendosi? Finora, i loro test si sono basati su superfici di metallo puro, ma il team spera di condurre ulteriori test utilizzando leghe e altri materiali.
Intendono anche testare gli impatti con una varietà di angolazioni, piuttosto che gli impatti diritti che hanno testato finora. "Possiamo estenderlo a tutte le situazioni in cui l'erosione è importante", ha affermato David Veysset. L'obiettivo è quello di sviluppare “una funzione che può dirci se l'erosione accadrà o no. [Ciò potrebbe aiutare gli ingegneri] a progettare materiali per la protezione dall'erosione, sia nello spazio che sul terreno, ovunque vogliano resistere all'erosione ", ha aggiunto.
Questo studio e il modello risultante potrebbero tornare molto utili nei prossimi anni e decenni. È ampiamente riconosciuto che se non viene controllato, il problema dei detriti spaziali peggiorerà esponenzialmente nel prossimo futuro. Per questo motivo, la NASA, l'ESA e diverse altre agenzie spaziali stanno attivamente perseguendo strategie di "mitigazione dei detriti spaziali", che includono la riduzione della massa nelle regioni ad alta densità e la progettazione di imbarcazioni con tecnologie di rientro sicure.
Ci sono anche diverse idee sul tavolo per la "rimozione attiva" a questo punto. Questi vanno da laser a base spaziale che potrebbero bruciare detriti e rimorchiatori spaziali magnetici che lo catturerebbero a piccoli satelliti che potrebbero arpionarlo e deorbitarlo o spingerlo nella nostra atmosfera (dove si brucerebbe) usando i raggi al plasma.
Queste e altre strategie saranno necessarie in un'epoca in cui l'orbita terrestre bassa non è solo commercializzata, ma anche abitata; per non parlare del servire come punto di sosta per le missioni sulla Luna, su Marte e più in profondità nel Sistema Solare. Se le corsie spaziali saranno occupate, devono essere mantenute libere!
