إذا كان هناك شيء واحد علمته عقود من العمل في مدار الأرض المنخفض (LEO) ، فهو أن الفضاء مليء بالمخاطر. بالإضافة إلى التوهجات الشمسية والإشعاع الكوني ، فإن أحد أكبر الأخطار يأتي من الحطام الفضائي. في حين أن أكبر القطع غير المرغوب فيها (التي يبلغ قطرها أكثر من 10 سم) تشكل بالتأكيد تهديدًا ، فإن القلق الحقيقي هو أكثر من 166 مليون جسم يتراوح حجمها من 1 مم إلى 1 سم في القطر.
على الرغم من صغرها ، يمكن أن تصل قطع الخردة هذه إلى سرعات تصل إلى 56000 كم / ساعة (34800 ميل في الساعة) ومن المستحيل تتبعها باستخدام الطرق الحالية. بسبب سرعتها ، لم يتم فهم ما يحدث لحظة التأثير بوضوح. ومع ذلك ، أجرى فريق بحثي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) مؤخرًا أول تصوير وتحليل عالي السرعة مفصل لعملية تأثير الجسيمات الدقيقة ، والتي ستكون مفيدة عند تطوير استراتيجيات التخفيف من الحطام الفضائي.
تم وصف نتائجهم في ورقة نشرت مؤخرا في المجلة اتصالات الطبيعة. قاد الدراسة مصطفى حساني جانجاراج ، زميل ما بعد الدكتوراه بقسم علوم وهندسة المواد (DMSE) بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. انضم إليه البروفيسور كريستوفر شوه (رئيس قسم DMSE) ، بالإضافة إلى الباحث في هيئة التدريس ديفيد فيسيت والبروفيسور كيث نيلسون من معهد MIT لتقنيات النانو الجندي.
يتم استخدام تأثيرات الجسيمات الدقيقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية اليومية ، بدءًا من تطبيق الطلاء وأسطح التنظيف إلى قطع المواد والسفع الرملي (حيث يتم تسريع الجسيمات إلى سرعات تفوق سرعة الصوت). ولكن حتى الآن ، تم التحكم في هذه العمليات دون فهم قوي للفيزياء الأساسية المعنية.
من أجل دراستهم ، سعى حساني جانجاراج وفريقه لإجراء الدراسة الأولى التي تفحص ما يحدث للجسيمات الدقيقة والسطوح في لحظة التأثير. قدم هذا تحديين رئيسيين: الأول ، الجسيمات التي تنطوي على السفر بسرعة أعلى من كيلومتر واحد في الثانية (3600 كم / ساعة ؛ 2237 ميلا في الساعة) ، مما يعني أن أحداث التأثير تحدث بسرعة كبيرة.
ثانيًا ، الجزيئات نفسها صغيرة جدًا لدرجة أن مراقبتها تتطلب أدوات معقدة للغاية. لمواجهة هذه التحديات ، اعتمد الفريق على اختبار تأثير الجزيئات الدقيقة الذي تم تطويره في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وهو قادر على تسجيل مقاطع الفيديو المؤثرة بسرعة تصل إلى 100 مليون إطار في الثانية. ثم استخدموا شعاع ليزر لتسريع جزيئات القصدير (يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرومتر) حتى سرعات 1 كم / ثانية.
تم استخدام ليزر ثان لإضاءة الجسيمات الطائرة أثناء اصطدامها بسطح التصادم - ورقة من الصفيح. ما وجدوه هو أنه عندما تتحرك الجسيمات بسرعات أعلى من عتبة معينة ، هناك فترة وجيزة من الانصهار في لحظة الارتطام ، والتي تلعب دورًا حاسمًا في تآكل السطح. ثم استخدموا هذه البيانات للتنبؤ بوقت ارتداد الجزيئات أو إلصاقها أو إزالتها من سطح وإضعافها.
في التطبيقات الصناعية ، يُفترض على نطاق واسع أن السرعات الأعلى ستؤدي إلى نتائج أفضل. تتعارض هذه النتائج الجديدة مع هذا ، وتبين أن هناك منطقة بسرعات أعلى حيث تنخفض قوة الطلاء أو سطح المادة بدلاً من أن تتحسن. كما أوضح حساني جانجاراج في بيان صحفي لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن هذه الدراسة مهمة لأنها ستساعد العلماء على التنبؤ بالظروف التي سيحدث فيها التآكل الناجم عن التأثيرات:
"لتجنب ذلك ، نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على التنبؤ [بالسرعة التي تتغير بها الآثار]. نريد أن نفهم الآليات والظروف الدقيقة عندما يمكن أن تحدث عمليات التآكل هذه. "
يمكن أن تلقي هذه الدراسة الضوء على ما يحدث في المواقف غير المنضبط ، مثل عندما تضرب الجسيمات الدقيقة المركبة الفضائية والأقمار الصناعية. بالنظر إلى المشكلة المتزايدة للحطام الفضائي - وعدد الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية والموائل الفضائية المتوقع إطلاقها في السنوات القادمة - يمكن لهذه المعلومات أن تلعب دورًا رئيسيًا في تطوير استراتيجيات التخفيف من الآثار.
فائدة أخرى لهذه الدراسة هي النمذجة التي سمحت بها. في الماضي ، اعتمد العلماء على تحليلات ما بعد الوفاة لاختبارات التصادم ، حيث تمت دراسة سطح الاختبار بعد حدوث التأثير. في حين سمحت هذه الطريقة بتقييم الأضرار ، إلا أنها لم تؤد إلى فهم أفضل للديناميات المعقدة التي تنطوي عليها العملية.
في المقابل ، اعتمد هذا الاختبار على التصوير عالي السرعة الذي يلتقط ذوبان الجسيمات والسطح في لحظة الارتطام. استخدم الفريق هذه البيانات لتطوير نموذج عام للتنبؤ بكيفية استجابة جزيئات ذات حجم معين وسرعة معينة - أي هل ترتد عن سطح أو تلتصق به أو تآكله عن طريق الذوبان؟ حتى الآن ، اعتمدت اختباراتهم على أسطح معدنية نقية ، لكن الفريق يأمل في إجراء المزيد من الاختبارات باستخدام السبائك والمواد الأخرى.
كما ينوون اختبار التأثيرات في زوايا متنوعة ، بدلاً من التأثيرات المباشرة التي اختبروها حتى الآن. قال ديفيد فيسيت: "يمكننا أن نمد هذا إلى كل حالة يكون فيها التآكل مهمًا". الهدف هو تطوير "وظيفة واحدة يمكن أن تخبرنا ما إذا كان التآكل سيحدث أم لا. وأضاف "يمكن أن يساعد ذلك المهندسين على تصميم مواد للحماية من التآكل ، سواء كانت في الفضاء أو على الأرض ، أينما أرادوا مقاومة التآكل".
من المرجح أن تكون هذه الدراسة ونموذجها الناتج مفيدًا جدًا في السنوات والعقود القادمة. من المقبول على نطاق واسع أنه إذا تُركت مشكلة الحطام الفضائي دون رادع ، فإنها ستصبح أسوأ بشكل كبير في المستقبل القريب. لهذا السبب ، تسعى ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية والعديد من وكالات الفضاء بنشاط إلى اتباع استراتيجيات "التخفيف من الحطام الفضائي" - والتي تشمل تقليل الكتلة في المناطق عالية الكثافة وتصميم مركبة ذات تقنيات دخول آمنة.
هناك أيضًا العديد من الأفكار على طاولة "الإزالة النشطة" في هذه المرحلة. وتتراوح هذه من أشعة الليزر الفضائية التي يمكن أن تحرق الحطام والقاطرات الفضائية المغناطيسية التي يمكن أن تلتقطها إلى الأقمار الصناعية الصغيرة التي يمكن أن تصيحها وتزيلها عن الأرض أو تدفعها إلى الغلاف الجوي (حيث تحترق) باستخدام أشعة البلازما.
ستكون هذه الاستراتيجيات وغيرها ضرورية في عصر لا يكون فيه مدار الأرض منخفضًا تجاريًا فحسب ، بل يسكنه أيضًا ؛ ناهيك عن العمل كنقطة توقف للبعثات إلى القمر والمريخ وأعمق في النظام الشمسي. إذا كانت الممرات الفضائية ستكون مشغولة ، فيجب إبقاءها خالية!
