Nếu có một điều mà hàng thập kỷ hoạt động trong Quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) đã dạy chúng ta, thì đó là không gian chứa đầy những mối nguy hiểm. Ngoài các ngọn lửa mặt trời và bức xạ vũ trụ, một trong những mối nguy hiểm lớn nhất đến từ các mảnh vụn vũ trụ. Trong khi các bit rác lớn nhất (có đường kính hơn 10 cm) chắc chắn là một mối đe dọa, mối quan tâm thực sự là hơn 166 triệu vật thể có kích thước đường kính từ 1 mm đến 1 cm.
Mặc dù nhỏ bé, những mẩu rác này có thể đạt tốc độ lên tới 56.000 km / h (34.800 dặm / giờ) và không thể theo dõi bằng các phương pháp hiện tại. Bởi vì tốc độ của chúng, những gì xảy ra tại thời điểm tác động chưa bao giờ được hiểu rõ ràng. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu từ MIT gần đây đã tiến hành hình ảnh và phân tích tốc độ cao chi tiết đầu tiên của quá trình tác động của vi hạt, sẽ có ích khi phát triển các chiến lược giảm thiểu mảnh vỡ không gian.
Phát hiện của họ được mô tả trong một bài báo xuất hiện gần đây trên tạp chí Truyền thông tự nhiên. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Mostafa Hassani-Gangaraj, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ với Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) của MIT. Ông được tham gia bởi Giáo sư Christopher Schuh (người đứng đầu bộ phận DMSE), cũng như nhà nghiên cứu nhân viên David Veysset và Giáo sư Keith Nelson của Viện MIT về Công nghệ nano binh sĩ.
Tác động của vi hạt được sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp hàng ngày, từ việc áp dụng lớp phủ và làm sạch bề mặt đến vật liệu cắt và phun cát (nơi các hạt được gia tốc đến tốc độ siêu âm). Nhưng cho đến nay, các quá trình này đã được kiểm soát mà không có sự hiểu biết vững chắc về vật lý cơ bản liên quan.
Vì lợi ích của nghiên cứu, Hassani-Gangaraj và nhóm của ông đã tìm cách tiến hành nghiên cứu đầu tiên kiểm tra những gì xảy ra với các hạt vi mô và bề mặt tại thời điểm va chạm. Điều này đưa ra hai thách thức lớn: thứ nhất, các hạt liên quan đến việc di chuyển với tốc độ lên tới một km mỗi giây (3600 km / h; 2237 dặm / giờ), có nghĩa là các sự kiện tác động diễn ra cực kỳ nhanh chóng.
Thứ hai, bản thân các hạt rất nhỏ nên việc quan sát chúng đòi hỏi các dụng cụ rất tinh vi. Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã dựa vào thử nghiệm tác động của vi hạt được phát triển tại MIT, có khả năng quay video tác động với tốc độ lên tới 100 triệu khung hình mỗi giây. Sau đó, họ đã sử dụng chùm tia laser để tăng tốc các hạt thiếc (đường kính khoảng 10 micromet) lên tới tốc độ 1 km / s.
Một tia laser thứ hai được sử dụng để chiếu sáng các hạt bay khi chúng chạm vào bề mặt va chạm - một tấm thiếc. Những gì họ tìm thấy là khi các hạt đang chuyển động với tốc độ trên một ngưỡng nhất định, có một khoảng thời gian tan chảy ngắn tại thời điểm va chạm, đóng vai trò quan trọng trong việc làm xói mòn bề mặt. Sau đó, họ đã sử dụng dữ liệu này để dự đoán khi nào các hạt sẽ bật ra, dính hoặc đánh bật vật liệu khỏi bề mặt và làm suy yếu nó.
Trong các ứng dụng công nghiệp, người ta cho rằng vận tốc cao hơn sẽ dẫn đến kết quả tốt hơn. Những phát hiện mới này mâu thuẫn với điều này, cho thấy rằng có một khu vực với vận tốc cao hơn trong đó độ bền của lớp phủ hoặc bề mặt của vật liệu suy giảm thay vì cải thiện. Như Hassani-Gangaraj đã giải thích trong một thông cáo báo chí của MIT, nghiên cứu này rất quan trọng vì nó sẽ giúp các nhà khoa học dự đoán trong những điều kiện xói mòn từ các tác động sẽ diễn ra:
Để tránh điều đó, chúng ta cần dự đoán [tốc độ thay đổi của hiệu ứng]. Chúng tôi muốn hiểu các cơ chế và điều kiện chính xác khi các quá trình xói mòn này có thể xảy ra.
Nghiên cứu này có thể làm sáng tỏ những gì xảy ra trong các tình huống không được kiểm soát, như khi các vi hạt tấn công tàu vũ trụ và vệ tinh. Với vấn đề ngày càng tăng của các mảnh vỡ không gian - và số lượng vệ tinh, tàu vũ trụ và môi trường sống không gian dự kiến sẽ được tung ra trong những năm tới - thông tin này có thể đóng vai trò chính trong việc phát triển các chiến lược giảm thiểu tác động.
Một lợi ích khác của nghiên cứu này là mô hình hóa mà nó cho phép. Trước đây, các nhà khoa học đã dựa vào các phân tích hậu biến của các thử nghiệm tác động, trong đó bề mặt thử nghiệm được nghiên cứu sau khi tác động xảy ra. Mặc dù phương pháp này cho phép đánh giá thiệt hại, nhưng nó không dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về các động lực phức tạp liên quan đến quá trình.
Ngược lại, thử nghiệm này dựa trên hình ảnh tốc độ cao đã ghi lại sự tan chảy của hạt và bề mặt tại thời điểm va chạm. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu này để phát triển một mô hình chung để dự đoán các hạt có kích thước và tốc độ nhất định sẽ phản ứng như thế nào - tức là chúng sẽ bật ra khỏi bề mặt, dính vào nó hay ăn mòn nó bằng cách tan chảy? Cho đến nay, các thử nghiệm của họ đã dựa vào bề mặt kim loại nguyên chất, nhưng nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiến hành các thử nghiệm tiếp theo bằng cách sử dụng hợp kim và các vật liệu khác.
Họ cũng có ý định thử nghiệm các tác động ở nhiều góc độ khác nhau, thay vì các tác động thẳng mà họ đã thử nghiệm cho đến nay. Chúng tôi có thể mở rộng điều này đến mọi tình huống trong đó xói mòn là quan trọng, David Veysset nói. Mục đích là để phát triển một chức năng có thể cho chúng ta biết liệu xói mòn sẽ xảy ra hay không. [Điều đó có thể giúp các kỹ sư] thiết kế các vật liệu chống xói mòn, cho dù nó ở trong không gian hay trên mặt đất, bất cứ nơi nào họ muốn chống xói mòn, ông nói thêm.
Nghiên cứu này và mô hình kết quả của nó có thể sẽ rất hữu ích trong những năm và thập kỷ tới. Người ta chấp nhận rộng rãi rằng nếu không được kiểm soát, vấn đề về các mảnh vỡ không gian sẽ trở nên tồi tệ hơn theo cấp số nhân trong tương lai gần. Vì lý do này, NASA, ESA và một số cơ quan không gian khác đang tích cực theo đuổi các chiến lược giảm thiểu mảnh vỡ vũ trụ trên mạng - bao gồm giảm khối lượng ở các khu vực mật độ cao và thiết kế thủ công với các công nghệ tái nhập an toàn.
Tại thời điểm này cũng có một số ý tưởng cho việc loại bỏ hoạt động loại bỏ tích cực. Những phạm vi này từ các tia laser trên không gian có thể đốt cháy các mảnh vụn và các vệt không gian từ tính sẽ bắt nó tới các vệ tinh nhỏ có thể đánh cắp và khử nó hoặc đẩy nó vào bầu khí quyển của chúng ta (nơi nó sẽ đốt cháy) bằng chùm tia plasma.
Những chiến lược này và các chiến lược khác sẽ là cần thiết trong thời đại mà quỹ đạo Trái đất thấp không chỉ được thương mại hóa mà còn có người ở; không đề cập đến việc phục vụ như một điểm dừng chân cho các nhiệm vụ lên Mặt trăng, Sao Hỏa và sâu hơn vào Hệ Mặt trời. Nếu các làn đường không gian sẽ bận rộn, chúng phải được giữ sạch sẽ!
