Kosmiczne śmieci potrafią uderzać z prędkością wielu km/s. Naukowcy chcą zatrzymywać je warstwą aluminiowych jajek z wodą.
Pomysł na osłonę przyszłego statku kosmicznego wygląda tak, jakby ktoś próbował przewieźć gigantyczne jajka w metalowym pudełku. Pomiędzy dwiema aluminiowymi płytami naukowcy ustawili rząd cienkościennych struktur przypominających skorupki, a każdą z nich wypełnili wodą. Podczas uderzenia skorupki mają kolejno się zgniatać, rozprowadzać energię na większą powierzchnię, a ciecz dodatkowo tłumić falę uderzeniową. W testach taki układ spowalniał pocisk wyraźnie skuteczniej, niż same aluminiowe płyty.
Pojedyncza skorupka jest słaba. Cały rząd już nie
Inspiracja jajkiem może brzmieć dziwnie w przypadku materiału przeznaczonego do ochrony statków kosmicznych. W końcu zwykłą skorupkę można bez większego problemu rozbić o krawędź patelni. Jej zachowanie mocno zależy jednak od kierunku i sposobu przyłożenia siły. Zakrzywiona, cienkościenna konstrukcja potrafi przenosić obciążenia znacznie skuteczniej, niż sugerowałaby sama grubość materiału.
Zespół z Dalian University of Technology przeniósł tę geometrię jednak do aluminium. Zamiast jednego dużego elementu stworzył cały szereg wydrążonych struktur o kształcie jajka i umieścił je pomiędzy dwiema płytami uderzeniowymi.
W przypadku trafienia nie pracuje więc jeden punkt osłony. Pierwsza skorupka zaczyna się odkształcać, obciążenie przechodzi na sąsiednie elementy, a kolejne jajka również stopniowo zgniatają się i pochłaniają energię. To kontrolowane niszczenie jest tutaj zaletą, a nie awarią.
Woda nie jest balastem. Ma tłumić uderzenie
Wnętrze każdej aluminiowej skorupki wypełniono wodą. To element konstrukcyjny równie istotny jak sam metal. Podczas gwałtownego uderzenia ciecz zaczyna przemieszczać się wewnątrz deformowanej przestrzeni. Energia musi zostać zużyta nie tylko na zgniatanie aluminium, ale także na wprawienie wody w ruch.
Ciecz pomaga jednocześnie ograniczać rozchodzenie się fal uderzeniowych w osłonie. W rezultacie energia, która w zwykłej metalowej płycie skupiałaby się przede wszystkim wokół punktu trafienia, rozchodzi się po większej części metasstruktury. Aluminiowe skorupki deformują się jedna po drugiej, a zamknięta w nich woda pochłania kolejną część energii. Badacze porównywali kilka rozwiązań: same aluminiowe płyty, wypełnione wodą kuliste elementy pomiędzy płytami oraz konstrukcję inspirowaną jajkami. Najlepsza okazała się ta ostatnia.
Same aluminiowe płyty zmniejszały prędkość uderzającego pocisku o około 51 proc. Po dodaniu wypełnionej wodą struktury inspirowanej skorupkami wynik wzrósł do niemal 65 proc. Nie możemy więc czytać tego tak, iż pancerz pochłonął dokładnie 65 proc. energii kinetycznej. Energia zależy od kwadratu prędkości, więc są to dwie różne wielkości. Badanie raportuje zmianę prędkości pocisku po przejściu przez konstrukcję.
Znaczenie miało tak naprawdę choćby ustawienie samych jajek. Najlepiej działała konfiguracja, w której znajdowały się pionowo, a ich węższy koniec stykał się z górną płytą przyjmującą uderzenie. Takie ustawienie pozwala konstrukcji stopniowo tracić stateczność i zgniatać się zamiast natychmiast zapadać w jednym miejscu.
W kosmosie choćby centymetrowy kawałek metalu jest pociskiem
Taka ochrona jest potrzebna, bo niska orbita okołoziemska coraz mniej przypomina pustą przestrzeń. Europejska Agencja Kosmiczna szacuje, iż wokół Ziemi krąży ponad milion fragmentów o rozmiarach od około 1 do 10 cm. Większość jest zbyt mała, aby regularnie śledzić ją i wykonywać za każdym razem manewr unikowy.
Na orbicie problemem nie jest przy tym masa sama w sobie, ale ogromna prędkość względna. Odłamek może zderzyć się ze statkiem z prędkością liczoną w wielu kilometrach na sekundę.
Przy takich wartościach niewielka śrubka czy fragment metalu przestaje zachowywać się jak przedmiot, który znamy z Ziemi. Energia uderzenia wystarcza, aby przebijać poszycie, rozrywać urządzenia i wytwarzać kolejne chmury fragmentów. Dlatego satelity i statki załogowe nie są chronione po prostu coraz grubszą blachą. Każdy dodatkowy kilogram trzeba przecież najpierw wynieść z Ziemi.
Najbardziej znanym rozwiązaniem stosowanym przeciwko małym odłamkom jest osłona Whipple’a. Zamiast jednej bardzo grubej ściany wykorzystuje się cienką warstwę umieszczoną w pewnej odległości przed adekwatnym poszyciem. Odłamek najpierw trafia w zewnętrzną płytę. Przy ogromnej prędkości rozpada się, częściowo topi lub odparowuje i tworzy rozszerzającą się chmurę drobniejszych fragmentów. Dopiero ona uderza w kolejną warstwę.
Energia, która wcześniej była skupiona w jednym niewielkim pocisku, zostaje rozłożona na większej powierzchni. Dzięki temu tylna ściana ma znacznie większą szansę przetrwać. Chińska konstrukcja rozwija podobną filozofię. Nie próbuje stworzyć niezniszczalnej płyty. Dodaje pomiędzy warstwy kolejną strukturę, która ma poświęcić samą siebie, kontrolowanie się deformując i pochłaniając energię.
To niejedyny nowy pomysł na kosmiczny pancerz. Na Spider’s Web opisywaliśmy już Space Armor, kompozyt rozwijany jako lekka osłona przed odłamkami, która ma dodatkowo ograniczać powstawanie wtórnych śmieci. Różne zespoły próbują więc rozwiązać ten sam problem zupełnie innymi materiałami.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
