Ежедневно в атмосфере Земли сгорают три и более крупных спутника или отработавших ракетных ступеней. Оставляемый ими алюминиевый пепел накапливается на высотах 60–80 километров, и ученые пока не могут точно сказать, как эти микрочастицы влияют на климат и озоновый слой. Ученые из Германии пытаются восполнить этот пробел, воссоздавая условия входа спутников в атмосферу в плазменной аэродинамической трубе.
Ученые используют в лаборатории высокотемпературные плазменные аэродинамические трубы, в которых отдельные фрагменты и компоненты спутников подвергаются воздействию экстремальных температур и скоростных потоков газа. Цель исследований — изучить физические и химические процессы, сопровождающие сгорание техногенных объектов, а также оценить возможное влияние продуктов их распада на состояние верхних слоев атмосферы.
Количество объектов на низкой околоземной орбите значительно выросло. По данным Европейского космического агентства, на сегодняшний день на орбите находится около 18 тысяч действующих и отработавших спутников, а в ближайшее десятилетие планируются запуски сотен тысяч новых аппаратов, включая крупные орбитальные станции и группировки связи. Большинство современных спутников рассчитаны на срок службы около пяти лет, поэтому в обозримом будущем ожидается возвращение в атмосферу и сгорание значительного объема космической техники — десятков тысяч тонн.
В настоящее время в атмосфере Земли ежедневно сгорает не менее трех крупных объектов космического происхождения или отработанных ракетных ступеней. Суммарная масса возвращаемых техногенных материалов составляет сотни тонн в год. В процессе разрушения аппараты оставляют после себя микроскопические твердые частицы, а некоторые фрагменты, изготовленные из тугоплавких материалов, могут достигать поверхности планеты.
Одной из главных областей внимания исследователей является химический состав образующегося при сгорании пепла. В отличие от естественных космических тел — метеороидов, состоящих преимущественно из кремния и небольших количеств железа и никеля, — конструкционные материалы спутников содержат значительные объемы алюминия и титана. Ученые отмечают, что при высокотемпературном окислении алюминий может образовывать оксид алюминия (глинозем). Этот материал, по некоторым данным, способен влиять на озоновый слой и отражать солнечное излучение, что потенциально может изменить тепловой баланс верхней атмосферы. При этом исследователи подчеркивают, что на сегодняшний день нет единого мнения о конечных продуктах реакций: альтернативные модели предполагают образование менее активного гидроксида алюминия.
Сложность проведения таких изысканий заключается в том, что основная зона разрушения спутников находится на высотах от 60 до 80 километров, что недоступно для большинства летательных аппаратов и стратостатов. Поэтому ученые комбинируют лабораторные эксперименты, компьютерное моделирование и данные дистанционных наблюдений.
В ходе экспериментов, образцы алюминиевых сплавов, используемых в космической промышленности, помещаются в плазменный поток. В лабораторных условиях температура плазмы может достигать 5000–8000 °C, а для охлаждения стенок установки используется интенсивная циркуляция воды. В течение нескольких минут образцы расплавляются, образуя крупные капли металла. Однако ученые отмечают, что в реальных условиях, при скоростях входа около 8 км/с, процессы протекают иначе: расплавленный материал взаимодействует с атмосферными газами, испаряется и диспергируется в виде мельчайшей пыли. На данный момент команда работает над методиками, позволяющими моделировать именно финальные стадии сгорания и образования газообразных продуктов.
Читайте также: Телескоп «Нэнси Грейс Роман» от NASA будет «затмевать» звезды ради поиска новых планет.