אם יש דבר אחד שעשרות שנות פעילותו ב- Low Earth Orbit (LEO) לימדו אותנו, זה שהחלל מלא בסכנות. בנוסף להתלקחויות השמש והקרינה הקוסמית, אחת הסכנות הגדולות מגיעה כתוצאה מפסולת החלל. בעוד שפיסות הזבל הגדולות ביותר (שנמדדות בקוטר של יותר מ -10 ס"מ) הן בהחלט איום, הדאגה האמיתית היא יותר מ -166 מיליון עצמים שנמצאים בגודל של 1 מ"מ עד 1 ס"מ בקוטר.
בעוד זעירים, חתיכות הזבל הללו יכולות להגיע למהירויות של עד 56,000 קמ"ש (34,800 קמ"ש) ואי אפשר לעקוב אחרין בשיטות הנוכחיות. בגלל המהירות שלהם, מה שקורה ברגע ההשפעה מעולם לא הובן היטב. עם זאת, צוות מחקר מבית MIT ערך לאחרונה את ההדמיה המפורטת והמהירה הראשונה במהירות גבוהה של תהליך ההשפעה של המיקרו-חלקיקים, אשר יועיל בעת פיתוח אסטרטגיות להפחתת שטח.
ממצאיהם מתוארים בעיתון שהופיע לאחרונה בכתב העת תקשורת טבע. את המחקר הוביל מוסטפא חסאני-גנגרג ', פוסט-דוקטורט במחלקה למדע והנדסה של MIT (DMSE). אליו הצטרפו פרופ 'כריסטופר שוה (ראש מחלקת DMSE) וכן חוקר הצוות דייויד ווייססט ופרופ' קית 'נלסון מהמכון למנועי חיילים של MIT.
הפגיעות במיקרו-חלקיקים משמשות למגוון יישומים תעשייתיים יומיומיים, החל ממריחת ציפויים וניקוי משטחים ועד חומרי חיתוך והתזת חול (שם חלקיקים מואצים למהירויות קוליות). אך עד כה, תהליכים אלה נשלטו ללא הבנה מוצקה של הפיזיקה העומדת בבסיסה.
לצורך המחקר, חסני-גנגרג 'וצוותו ביקשו לערוך את המחקר הראשון הבוחן מה קורה למיקרו-חלקיקים ומשטחים ברגע ההשפעה. זה הציב שני אתגרים עיקריים: ראשית, החלקיקים המעורבים נעים במהירות של יותר מקילומטר לשנייה (3600 קמ"ש; 2237 קמ"ש), מה שאומר שאירועי ההשפעה מתרחשים במהירות רבה.
שנית, החלקיקים עצמם כה זעירים עד כי התבוננות בהם דורשת מכשירים מתוחכמים ביותר. כדי להתמודד עם אתגרים אלו, הצוות הסתמך על מבחן השפעה של מיקרו-חלקיקים שפותח ב- MIT, המסוגל להקליט סרטוני השפעה במהירות של עד 100 מיליון פריימים בשנייה. לאחר מכן הם השתמשו בקרן לייזר כדי להאיץ חלקיקי פח (בקוטר של כ -10 מיקרומטר) עד למהירות של 1 קמ"ש.
לייזר שני שימש כדי להאיר את החלקיקים המעופפים כאשר פגעו במשטח ההשפעה - דף פח. מה שהם מצאו היה שכאשר חלקיקים נעים במהירויות מעל סף מסוים, יש תקופת התכה קצרה ברגע הפגיעה, הממלאת תפקיד מכריע בשחיקת פני השטח. לאחר מכן הם השתמשו בנתונים אלה כדי לחזות מתי החלקיקים יתנתקו, יתקעו או יפילו חומר משטח ויחלישו.
ביישומים תעשייתיים ההנחה היא כי מהירות גבוהה יותר תביא לתוצאות טובות יותר. הממצאים החדשים הללו עומדים בסתירה זאת, ומראים שיש אזור במהירות גבוהה יותר בו חוזק הציפוי או פני השטח של חומר יורד במקום להשתפר. כפי שהסביר חסאני-גנגרג 'בהודעה לעיתונות של MIT, מחקר זה חשוב מכיוון שהוא יסייע למדענים לחזות באילו תנאים יתרחש שחיקה מההשפעות:
"כדי להימנע מכך, עלינו להיות מסוגלים לחזות את [המהירות בה משתנים ההשפעות]. אנו רוצים להבין את המנגנונים והתנאים המדויקים שבהם תהליכי השחיקה הללו יכולים לקרות. "
מחקר זה יכול לשפוך אור על מה שקורה במצבים לא מבוקרים, כמו כאשר חלקיקים מיקרו פוגעים בחלליות ובלוויינים. בהתחשב בבעיה ההולכת וגוברת של פסולת החלל - ומספר הלוויינים, החלליות ובתי הגידול בחלל הצפויים להיות משוגרים בשנים הקרובות - מידע זה יכול למלא תפקיד מפתח בפיתוח אסטרטגיות להפחתת השפעות.
יתרון נוסף של מחקר זה היה הדוגמנות שהוא איפשר. בעבר, מדענים הסתמכו על ניתוחים שלאחר המוות של בדיקות ההשפעה, שם נבדק משטח הבדיקה לאחר שההשפעה התרחשה. בעוד ששיטה זו אפשרה הערכות נזק, היא לא הובילה להבנה טובה יותר של הדינמיקה המורכבת הכרוכה בתהליך.
לעומת זאת, מבחן זה הסתמך על הדמיה במהירות גבוהה שתפסה את התכה של החלקיק והמשטח ממש ברגע הפגיעה. הצוות השתמש בנתונים אלה כדי לפתח מודל כללי כדי לחזות כיצד חלקיקים בגודל נתון ומהירות נתונה יגיבו - כלומר האם הם יתנפצו מעל פני שטח, ידבקו בו או יכרסו על ידי התכה? עד כה הבדיקות שלהם הסתמכו על משטחי מתכת טהורה, אך הצוות מקווה לבצע בדיקות נוספות באמצעות סגסוגות וחומרים אחרים.
הם מתכוונים גם לבדוק פגיעות במגוון זוויות, ולא את ההשפעות הישירות שבחנו עד כה. "אנחנו יכולים להרחיב את זה לכל סיטואציה שבה שחיקה שחיקה," אמר דייויד ווייססט. המטרה היא לפתח "פונקציה אחת שיכולה לספר לנו אם שחיקה תתרחש או לא. [זה יכול לעזור למהנדסים] לתכנן חומרים להגנת סחף, בין אם זה בחלל או בשטח, בכל מקום שהם רוצים להתנגד לשחיקה, "הוסיף.
מחקר זה והמודל המתקבל ממנו עשויים להיות מועילים מאוד בשנים והעשורים הבאים. מקובל על כך שאם לא נבדק, הבעיה של פסולת החלל תחמיר באופן אקספוננציאלי בעתיד הקרוב. מסיבה זו, נאס"א, ESA וכמה סוכנויות חלל אחרות רודפות באופן פעיל אחר אסטרטגיות "הפחתת שטח" - הכוללות צמצום המסה באזורים בצפיפות גבוהה ותכנון מלאכה בטכנולוגיות כניסה חוזרת בטוחות.
ישנם גם כמה רעיונות על השולחן ל"הסרה פעילה "בשלב זה. אלה נעים בין לייזרים מבוססי חלל שיכולים לשרוף פסולת ומשיכות חלל מגנטיות שתלכדו אותה ועד לוויינים קטנים שיכולים להקריב אותה ולהידחות אותה או לדחוף אותה לאטמוספירה שלנו (שם זה יישרף) באמצעות קורות פלזמה.
אסטרטגיות אלה ואחרות יהיו נחוצות בעידן בו מסלול כדור הארץ הנמוך אינו רק ממוסחר, אלא גם מיושב; שלא לדבר על המשמש כנקודת עצירה למשימות לירח, מאדים, ועמוק יותר במערכת השמש. אם נתיבי החלל עומדים להיות עמוסים, יש לשמור עליהם ברורים!
