Поддержано РНФ. Избежать повреждения космических кораблей в атмосфере поможет новый метод

27 августа 2024 4 мин.

Ученые описали, что происходит в плазме — заряженном газе — с атомами кальция и железа и их оксидами, которые образуются при разрушении соединений, входящих в состав метеоров и защитной обшивки космических аппаратов. Оказалось, что испаренное вещество уносится за пределы плазмы ударной волной, а оксиды образуются как в центре плазменного облака, так и на периферии плазмы в результате взаимодействия атомов железа и кальция с кислородом воздуха.

Подобные процессы наблюдаются при вхождении метеоров и других космических тел в атмосферу Земли. Поэтому полученные результаты помогут точнее описывать разрушение космических тел и объектов искусственного происхождения при их вхождении в атмосферу, например, определять, какие воздействия испытывает обшивка космических аппаратов и как меняются ее свойства. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology

Когда космическое тело, например метеор или космический корабль, входит в атмосферу Земли, вокруг него образуется плазменное облако — область заряженного газа. Находясь в нем, объект может частично или полностью разрушиться — метеоры сгореть, а обшивка корабля повредиться, как это недавно случилось с новой ракетой SpaceX Starship. Чтобы сделать защиту запускаемых в космос аппаратов более стойкой или рассчитать степень разрушения метеора в атмосфере, необходимо понимать причину таких разрушений: происходят ли они из-за того, что материал испаряется с поверхности, или потому, что его частицы выносятся с поверхности ударной волной и затем догорают в плазме.

Участники исследовательского коллектива. Слева направо: Сергей Зайцев, Александр Закускин, Тимур Лабутин, Бабкен Бегларян. Источник: Тимур Лабутин.

Ученые из Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (Москва) разработали метод, который позволяет понять, что происходит в плазме с соединениями кальция и железа. Эти вещества были выбраны потому, что они входят в состав материалов, использующихся для обшивки спутников и ракет, а также присутствуют в астероидах. Авторы поместили в вакуумную камеру мишень из карбоната кальция и оксида железа — прессованный в таблетку порошок. Затем на мишень направили луч мощного лазера, под действием которого образовалась плазма. Ее фотографировали с помощью чувствительной скоростной камеры, собственноручно сконструированной и собранной одним из авторов работы. Это позволило ученым оценить границы плазменного облака.

Чтобы понять, как частицы мишени ведут себя в плазме, ее «прощупывали» лучом синего цвета другого, титан-сапфирового лазера. Излучение выборочно возбуждало атомы и оксиды, образовавшиеся из испаренного материала мишени. В ответ эти частицы испускали специфическое для них свечение (флуоресценцию), которое авторы регистрировали с помощью спектрометра.

Титан-сапфировый лазер. Источник: Тимур Лабутин.

Особенность прибора состояла в том, что он позволил регистрировать сигналы одновременно от двух разных частиц — от оксида кальция и от железа. Ранее по флуоресценции ученым удавалось отслеживать только какой-то один элемент. Поскольку интенсивность свечения непосредственно связана с концентрацией частиц, исследователи смогли поточечно определить относительное содержание кальция, железа и их оксидов и построить карту их распределения внутри плазменного облака.

Александр Закускин и Бабкен Бегларян собирают экспериментальную установку. Источник: Тимур Лабутин.

Оказалось, что на границах разлетающегося облака частиц доля оксида кальция больше примерно в пять раз, чем в центре. Это означает, что оксиды на границах плазменного облака представляют собой не разлагающийся материал мишени, а вновь образовавшиеся молекулы. Они формируются при взаимодействии атомов кальция, до которых в плазме мгновенно разлагается материал мишени, с содержащимся в атмосфере кислородом. Учитывая флуоресценцию оксидов, можно определить давление, при котором это взаимодействие становится значимым, и оценить границы прохождения ударной волны, образующейся при испарении вещества.

Александр Закускин картирует плазменное облако. Источник: Тимур Лабутин.

В дальнейшем мы планируем расширить наши возможности по наблюдению за изменением вещества в плазме, добавив к рассмотрению флуоресценцию титана и алюминия, так как эти элементы составляют основу многих конструкционных материалов.

Александр Закускин, аспирант кафедры лазерной химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Разработанная методика изучения процессов, которые происходят в плазме в условиях, близких к верхним слоям атмосферы, может использоваться для предварительного тестирования новых защитных материалов спутников и ракет, а также позволит лучше моделировать процессы, происходящие при вхождении метеоров в атмосферу планет.

Если говорить в целом о развитии метода лазерной-индуцированной флуоресценции, то она может быть использована для бесконтактного контроля за различными опасными веществами, например при определении изотопов урана, что важно для ядерной энергетики.