В МГУ придумали, как сделать возвращение космических кораблей на Землю безопаснее
Российские ученые выяснили, как плазма влияет на небесные тела и космические аппараты при их прохождении сквозь верхние слои атмосферы Земли. Выяснилось, что испаренные вещества, которые входят в состав космических объектов, улетучиваются ударной волной, а на их месте образуются новые молекулы при взаимодействии атомов железа и кальция с кислородом. Полученные знания позволят повысить стойкость космических кораблей, чтобы безопасно возвращать их на Землю.
При входе в атмосферу Земли вокруг любого объекта образуется облако плазмы. Оно представляет собой заряженный газ, который может частично или полностью разрушать метеоры или космические аппараты. Например, так случилось с кораблем Starship компании SpaceX во время его третьего испытательного полета в марте – при вхождении в атмосферу Земли его окутали потоки плазмы, после чего транспортное средство сгорело, так и не вернувшись обратно. Чтобы этого избежать и усилить защиту космических аппаратов, инженерам нужно понять причину такого явления.
Ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова с помощью нового метода попытались понять, что происходит в плазме с соединениями кальция и железа – веществами, которые входят в состав обшивки спутников и ракет, а также содержатся в астероидах. Для этого они поместили в вакуумную камеру мишень – спрессованный в таблетку порошок из карбоната кальция и оксида железа. На нее направили луч мощного лазера, под действием которого образовалась плазма. Исследователи получили ее снимки с помощью чувствительной скоростной камеры, созданной собственноручно одним из авторов работы. Фотографии позволили оценить границы облака плазмы.
Далее полученную плазму «прощупали» лучом другого, титан-сапфирового лазера синего цвета, чтобы понять, как поведут себя частицы в «таблетке». Излучение выборочно воздействовало на атомы и оксиды, которые образовались из испаренного материала мишени, в результате чего они приобретали типичное для них свечение, или флуоресценцию. Это явление было зафиксировано исследователями с помощью спектрометра – причем прибор позволил регистрировать сигналы одновременно и от оксида кальция, и от железа. Ранее таким способом можно было отследить только один элемент.
Поскольку интенсивность свечения напрямую зависит от концентрации частиц, ученым удалось точечно определить относительное содержание кальция, железа и их оксидов. Из полученных данных удалось создать карту их распределения внутри плазменного облака. Выяснилось, что наибольшая концентрация оксида кальция находится по краям (примерно в пять раз больше, чем в центре). Исходя из этого, ученые сделали вывод, что оксиды на границах плазменного облака – это не разлагающийся материал «таблетки», а новые молекулы. Они образовались в результате взаимодействия атомов кальция (до которых в плазме мгновенно разлагался материал мишени), с кислородом, содержащимся в атмосфере. Флуоресценция оксидов также позволила определить давление, при котором происходит такая реакция, и оценить рамки прохождения ударной волны, которая образуется при испарении вещества.
Предложенный способ исследования процессов, происходящих в плазме в условиях, приближенных к атмосферным, может быть полезен для предварительных испытаний защитных материалов спутников и ракет-носителей. Кроме того, ученые смогут с помощью него эффективнее моделировать процессы, которые происходят при вхождении метеоров в атмосферу планет. В широком смысле метод лазерной-индуцированной флуоресценции может использоваться для бесконтактного контроля за различными опасными элементами, например, изотопами урана – ключевыми для ядерной энергетики.
В ближайших планах исследователей – провести расширенные наблюдения за тем, как изменяются элементы при взаимодействии с плазмой. В том числе, будет рассмотрена флуоресценция титана и алюминия – металлов, которые часто используются в производстве космических аппаратов.
Ранее российские ученые обнаружили в метеоритах новый минерал, возраст которого практически равен Солнцу. Элемент получил название рубинит. Исследователи предполагают, что он образовался первичной солнечной туманности.
