Wenn uns jahrzehntelange Arbeit im Low Earth Orbit (LEO) eines gelehrt hat, dann ist der Weltraum voller Gefahren. Neben Sonneneruptionen und kosmischer Strahlung geht eine der größten Gefahren von Weltraummüll . 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 sie winzig klein sind, können diese Schrottstücke Geschwindigkeiten von bis zu 56.000 km/h (34.800 mph) erreichen und sind mit den derzeitigen Methoden nicht zu verfolgen. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit wurde nie genau verstanden, was im Moment des Aufpralls passiert. Ein Forschungsteam des MIT hat jedoch kürzlich die erste detaillierte Highspeed-Bildgebung und -Analyse des Mikropartikel-Aufprallprozesses, der sich bei der Entwicklung von Strategien zur Eindämmung von Weltraummüll als nützlich erweisen wird.
Ihre Ergebnisse werden in einem kürzlich in der Zeitschrift erschienenen Artikel beschrieben Naturkommunikation . Die Studie wurde von Mostafa Hassani-Gangaraj geleitet, einem Postdoktoranden am MIT Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (DMSE). Er wurde von Prof. Christopher Schuh (der DMSE-Abteilungsleiter) sowie dem wissenschaftlichen Mitarbeiter David Veysset und Prof. Keith Nelson vom MIT unterstützt Institut für Soldaten-Nanotechnologien .
Grafik, die die Weltraumschrottwolke zeigt, die derzeit die Erde umgibt. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center/JSC
Mikropartikelstöße werden für eine Vielzahl von alltäglichen industriellen Anwendungen verwendet, die vom Auftragen von Beschichtungen und Reinigen von Oberflächen bis hin zum Schneiden von Materialien und Sandstrahlen (wo Partikel auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden) reichen. Aber bis jetzt wurden diese Prozesse ohne solides Verständnis der zugrunde liegenden Physik kontrolliert.
Für ihre Studie wollten Hassani-Gangaraj und sein Team die erste Studie durchführen, die untersucht, was mit Mikropartikeln und Oberflächen im Moment des Aufpralls passiert. Daraus ergaben sich zwei große Herausforderungen: Erstens reisen die beteiligten Partikel mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem Kilometer pro Sekunde (3600 km/h; 2237 mph), was bedeutet, dass Aufprallereignisse extrem schnell ablaufen.
Zweitens sind die Partikel selbst so winzig, dass ihre Beobachtung hochentwickelte Instrumente erfordert. Um diese Herausforderungen anzugehen, stützte sich das Team auf einen am MIT entwickelten Mikropartikel-Aufprallprüfstand, der Aufprallvideos mit bis zu 100 Millionen Bildern pro Sekunde aufzeichnen kann. 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 Aufprall auf die Aufprallfläche – eine Blechtafel – zu beleuchten. Sie fanden heraus, dass es bei Partikeln, die sich mit Geschwindigkeiten über einer bestimmten Schwelle bewegen, im Moment des Aufpralls kurzzeitig schmelzen, was eine entscheidende Rolle bei der Erosion der Oberfläche spielt. Anschließend nutzten sie diese Daten, um vorherzusagen, wann die Partikel von einer Oberfläche abprallen, kleben oder abstoßen und diese schwächen.
Standbild aus dem Hochgeschwindigkeitsvideo, in dem ESA-Forscher einen Hypergeschwindigkeitstest mit ihrer neuen FML-Abschirmung durchführen. Bild: Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik
Bei industriellen Anwendungen wird allgemein davon ausgegangen, dass höhere Geschwindigkeiten zu besseren Ergebnissen führen. Dem widersprechen diese neuen Erkenntnisse, die zeigen, dass es bei höheren Geschwindigkeiten einen Bereich gibt, in dem die Festigkeit einer Beschichtung oder der Oberfläche eines Materials abnimmt, anstatt sich zu verbessern. Wie Hassani-Gangaraj in einem MIT . erklärte Pressemitteilung , ist diese Studie wichtig, weil sie Wissenschaftlern helfen wird, vorherzusagen, unter welchen Bedingungen die Erosion durch Einschläge stattfinden wird:
„Um dies zu vermeiden, müssen wir in der Lage sein, die Geschwindigkeit vorherzusagen, mit der sich die Effekte ändern. 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, etwa wenn Mikropartikel auf Raumschiffe und Satelliten treffen. Angesichts des wachsenden Problems von Weltraummüll – und der Anzahl von Satelliten, Raumfahrzeugen und Weltraumhabitaten, die in den kommenden Jahren voraussichtlich starten werden – könnten diese Informationen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Strategien zur Eindämmung 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 Schadensabschätzungen, führte jedoch nicht zu einem besseren Verständnis der komplexen Dynamik des Prozesses.
Der Chip im Kuppelfenster der ISS, fotografiert von Astronaut Tim Peake. Bildnachweis: ESA/NASA/Tim Peake
Im Gegensatz dazu beruhte dieser Test auf einer Hochgeschwindigkeits-Bildgebung, die das Schmelzen des Partikels und der Oberfläche im Moment des Aufpralls erfasste. Das Team nutzte 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 in verschiedenen Winkeln zu testen, anstatt die bisher getesteten geraden Stöße. „Wir können dies auf jede Situation ausdehnen, in der Erosion wichtig ist.“ genannt David Veysset. Ziel sei es, „eine Funktion zu entwickeln, die uns sagen kann, ob eine Erosion stattfindet oder nicht. [Das könnte Ingenieuren helfen] Materialien für den Erosionsschutz zu entwickeln, sei es im Weltraum oder auf dem Boden, wo immer sie der Erosion widerstehen wollen“, fügte er hinzu.
Diese Studie und das daraus resultierende Modell werden sich in den kommenden Jahren und Jahrzehnten wahrscheinlich als sehr nützlich erweisen. Es ist allgemein anerkannt, dass sich das Problem des Weltraummülls in naher Zukunft exponentiell verschlimmern wird, wenn es nicht kontrolliert wird. Aus diesem Grund verfolgen die NASA, die ESA und mehrere andere Weltraumbehörden aktiv die „ Minderung von Weltraummüll “ Strategien – zu denen die Reduzierung der Masse in Regionen mit hoher Dichte und die Entwicklung von Schiffen mit sicheren Wiedereintrittstechnologien gehören.
Auch für das „aktive Entfernen“ liegen an dieser Stelle mehrere Ideen auf dem Tisch. Diese reichen von weltraumgestützte Laser das könnte Schutt verbrennen und magnetische Weltraumschlepper das würde es auf kleine Satelliten einfangen, die könnten Harpune und deorbitiere es oder es mit Plasmastrahlen in unsere Atmosphäre schieben (wo es verbrennen würde).
Diese und andere Strategien werden in einem Zeitalter notwendig sein, in dem die niedrige Erdumlaufbahn nicht nur kommerzialisiert, sondern auch bewohnt wird; ganz zu schweigen davon, dass sie als Zwischenstopp für Missionen zum Mond, zum Mars und tiefer in das Sonnensystem dient. Wenn die Space Lanes stark frequentiert sind, müssen diese freigehalten werden!
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