Si hay algo que nos han enseñado décadas de operar en la órbita terrestre baja (LEO), es que el espacio está lleno de peligros. Además de las erupciones solares y la radiación cósmica, uno de los mayores peligros proviene de los desechos espaciales. Si bien los trozos de basura más grandes (que miden más de 10 cm de diámetro) son sin duda una amenaza, la verdadera preocupación son los más de 166 millones de objetos que varían en tamaño de 1 mm a 1 cm de diámetro.
Aunque pequeños, estos trozos de basura pueden alcanzar velocidades de hasta 56,000 km / h (34,800 mph) y son imposibles de rastrear utilizando los métodos actuales. Debido a su velocidad, lo que sucede en el momento del impacto nunca se ha entendido claramente. Sin embargo, un equipo de investigación del MIT realizó recientemente la primera imagen detallada y análisis de alta velocidad del proceso de impacto de micropartículas, que será útil cuando se desarrollen estrategias de mitigación de desechos espaciales.
Sus hallazgos se describen en un artículo que apareció recientemente en la revista. Comunicaciones de la naturaleza. El estudio fue dirigido por Mostafa Hassani-Gangaraj, un asociado postdoctoral con el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT. Se le unieron el profesor Christopher Schuh (jefe del departamento de DMSE), así como el investigador David Veysset y el profesor Keith Nelson del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT.
Los impactos de micropartículas se utilizan para una variedad de aplicaciones industriales cotidianas, que van desde la aplicación de recubrimientos y limpieza de superficies hasta el corte de materiales y arenado (donde las partículas se aceleran a velocidades supersónicas). Pero hasta ahora, estos procesos se han controlado sin una comprensión sólida de la física subyacente involucrada.
Por el bien de su estudio, Hassani-Gangaraj y su equipo buscaron llevar a cabo el primer estudio que examina lo que sucede con las micropartículas y las superficies en el momento del impacto. Esto presentó dos desafíos principales: primero, las partículas involucradas viajan a más de un kilómetro por segundo (3600 km / h; 2237 mph), lo que significa que los eventos de impacto tienen lugar extremadamente rápido.
En segundo lugar, las partículas en sí mismas son tan pequeñas que su observación requiere instrumentos muy sofisticados. Para abordar estos desafíos, el equipo confió en un banco de pruebas de impacto de micropartículas desarrollado en MIT, que es capaz de grabar videos de impacto a hasta 100 millones de fotogramas por segundo. Luego utilizaron un rayo láser para acelerar las partículas de estaño (que miden alrededor de 10 micrómetros de diámetro) hasta velocidades de 1 km / s.
Se usó un segundo láser para iluminar las partículas voladoras cuando golpeaban la superficie de impacto: una lámina de estaño. Lo que encontraron fue que cuando las partículas se mueven a velocidades superiores a un cierto umbral, hay un breve período de fusión en el momento del impacto, que desempeña un papel crucial en la erosión de la superficie. Luego utilizaron estos datos para predecir cuándo las partículas rebotarán, se adherirán o golpearán el material de una superficie y lo debilitarán.
En aplicaciones industriales, se asume ampliamente que velocidades más altas conducirán a mejores resultados. Estos nuevos hallazgos contradicen esto, mostrando que hay una región a velocidades más altas donde la resistencia de un recubrimiento o la superficie de un material disminuye en lugar de mejorar. Como Hassani-Gangaraj explicó en un comunicado de prensa del MIT, este estudio es importante porque ayudará a los científicos a predecir en qué condiciones se producirá la erosión de los impactos:
“Para evitar eso, necesitamos poder predecir [la velocidad a la que cambian los efectos]. Queremos entender los mecanismos y las condiciones exactas cuando pueden ocurrir estos procesos de erosión ”.
Este estudio podría arrojar luz sobre lo que sucede en situaciones no controladas, como cuando las micropartículas chocan con naves espaciales y satélites. Dado el creciente problema de los desechos espaciales, y la cantidad de satélites, naves espaciales y hábitats espaciales que se espera lanzar en los próximos años, esta información podría desempeñar un papel clave en el desarrollo de estrategias de mitigación de impacto.
Otro beneficio de este estudio fue el modelado que permitió. En el pasado, los científicos han confiado en los análisis post mortem de las pruebas de impacto, donde se estudió la superficie de prueba después de que se produjo el impacto. Si bien este método permitió evaluaciones de daños, no condujo a una mejor comprensión de la dinámica compleja involucrada en el proceso.
En contraste, esta prueba se basó en imágenes de alta velocidad que capturaron la fusión de la partícula y la superficie en el mismo momento del impacto. El equipo utilizó estos datos para desarrollar un modelo general para predecir cómo responderían las partículas de un tamaño y velocidad dados, es decir, ¿rebotarían en una superficie, se adherirían a ella o la erosionarían derritiéndose? Hasta ahora, sus pruebas se han basado en superficies de metal puro, pero el equipo espera realizar más pruebas con aleaciones y otros materiales.
También tienen la intención de probar los impactos en una variedad de ángulos, en lugar de los impactos rectos que han probado hasta ahora. "Podemos extender esto a todas las situaciones donde la erosión es importante", dijo David Veysset. El objetivo es desarrollar "una función que pueda decirnos si la erosión ocurrirá o no. [Eso podría ayudar a los ingenieros] a diseñar materiales para la protección contra la erosión, ya sea en el espacio o en el suelo, donde quieran resistir la erosión ", agregó.
Es probable que este estudio y su modelo resultante sean muy útiles en los próximos años y décadas. Es ampliamente aceptado que si no se controla, el problema de los desechos espaciales empeorará exponencialmente en el futuro cercano. Por esta razón, la NASA, la ESA y varias otras agencias espaciales están buscando activamente estrategias de "mitigación de desechos espaciales", que incluyen la reducción de masa en regiones de alta densidad y el diseño de embarcaciones con tecnologías seguras de reingreso.
También hay varias ideas sobre la mesa para la "eliminación activa" en este momento. Estos van desde láseres espaciales que pueden quemar escombros y remolcadores espaciales magnéticos que lo capturarían hasta pequeños satélites que podrían arponarlo y desorbitarlo o empujarlo a nuestra atmósfera (donde se quemaría) utilizando haces de plasma.
Estas y otras estrategias serán necesarias en una era en la que la órbita terrestre baja no solo se comercializa, sino que también se habita; sin mencionar que sirve como punto de escala para misiones a la Luna, Marte y más profundamente en el Sistema Solar. Si los carriles espaciales van a estar ocupados, ¡deben mantenerse despejados!
