Инженеры провели ряд экспериментов, чтобы разобраться, что происходит с небесными камнями при столкновении на большой скорости. Это помогло им понять эволюцию астероидов и то, как они опасны для Земли.
Эксперименты с гранулированными материалами
Инженеры из Университета Джонса Хопкинса обнаружили новые подробности о том, как ведут себя гранулированные материалы, такие как песок и горные породы, во время экстремальных столкновений — открытие, которое может помочь защитить Землю от опасных астероидов.
Используя новые экспериментальные методы и передовые компьютерные симуляции, команда обнаружила, что эти материалы могут вести себя неожиданно при столкновении на высоких скоростях, и это открытие бросает вызов традиционным моделям. Их работа опубликована в Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
«Наше исследование показывает, что разные части материала и даже разные песчинки могут вести себя по-разному во время одного и того же удара, — сказал руководитель группы Райан Херли, доцент кафедры машиностроения в Инженерной школе Вайтенга Университета Джона Хопкинса и научный сотрудник Института экстремальных материалов Хопкинса (HEMI). — То, что мы обнаружили, имеет потенциал для применения в разных областях — от отклонения астероидов до промышленных процессов, таких как производство планшетов».
Команда выстреливала снарядами из газовой пушки со скоростью до 2 км/с в гранулированные образцы, изготовленные из алюминия и содово-известкового стекла, и наблюдала за поведением образцов в первые несколько микросекунд после удара. Хотя подобные эксперименты обычно проводятся на месте в HEMI в кампусе JHU в Балтиморе, этот эксперимент был проведен в Advanced Photon Source (APS) в Чикаго, поскольку он требовал использования специальных рентгеновских установок для визуализации удара.
Сущность и результаты экспериментов
«Если вы пойдете на пляж, то увидите только песок на поверхности, но рентгеновский снимок может показать, что происходит под ним, — сказал Соханджит Гош, аспирант кафедры машиностроения и ведущий автор статьи. — Мы сочетаем рентгеновские снимки с разработанными нами числовыми моделями, и это превращает двумерное рентгеновское изображение в трехмерный процесс, который дает нам полную картину происходящего как во времени, так и в пространстве».
Исследователи обнаружили, что в дополнение к другим химическим реакциям тепло, созданное интенсивным сжатием, приводит к разрушению, плавлению и повторной консолидации зерен. Было обнаружено, что зерна по-разному взаимодействуют друг с другом при разных скоростях удара. При увеличении скорости передается так много тепловой энергии, что зерна фактически плавятся, а затем реформируются.
Команда заметила, что разные металлические материалы демонстрируют разные способы рассеивания энергии во время высокоскоростных ударов. Такие материалы, как алюминий, поглощают энергию путем образования дефектов и пластичности, тогда как хрупкие материалы, такие как содово-известковое стекло, рассеивают энергию путем разрушения и фрагментации.
Значение экспериментов для будущих миссий
Исследователи говорят, что эти выводы могут стать основой для будущих миссий, подобных DART в 2022 году, которая ударила астероид, изменив его траекторию.
«Все астероиды имеют сверху слой песка, который называется реголитом, и когда вы стреляете в них, именно реголит рассеивает большую часть энергии удара, — говорит Гош. — Мы можем сделать вывод из сочетания такого моделирования и экспериментов, как будут вести себя разные материалы в различных средах и условиях удара».
По словам Гоша, хотя планирование эксперимента длилось несколько месяцев, собственно физический опыт завершился буквально в мгновение ока.
«Временные рамки экспериментов очень короткие — несколько сотен наносекунд, — сказал он. — Мы готовим весь эксперимент в течение месяца, а затем он заканчивается через несколько микросекунд».
За матеріалами phys.org
