Juni 30, 2022

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Warum die Exposition gegenüber Weltraumstaub ein unvermeidlicher Aspekt der Raumfahrt ist

Warum die Exposition gegenüber Weltraumstaub ein unvermeidlicher Aspekt der Raumfahrt ist

Am 8. Juni gab die NASA bekannt, dass ihr leistungsstarkes neues Weltraumobservatorium, das James-Webb-Weltraumteleskop, jetzt eine kleine Kuppel in einem seiner Hauptspiegel hat, nachdem es von mikroskopisch kleinen Meteoren, die größer als erwartet waren, in den Weltraum geschleudert wurde. Die Nachricht kam ein bisschen wie ein Schock, weil der Aufprall nur fünf Monate nach der Amtszeit des Weltraumteleskops stattfand – aber Streiks wie diese sind einfach ein unvermeidlicher Aspekt der Raumfahrt, und weitere Angriffe werden sicher kommen.

Trotz dessen, was der Name vermuten lässt, ist der Raum nicht vollständig leer. Innerhalb unseres Sonnensystems bewegen sich winzige Partikel des Weltraumstaubs mit gigantischen Geschwindigkeiten, die Zehntausende von Kilometern pro Stunde erreichen können, durch die Regionen zwischen unseren Planeten. Diese winzigen Meteoriten, nicht größer als ein Sandkorn, sind oft kleine Stücke von Asteroiden oder Kometen, die auseinandergebrochen sind und nun die Sonne umkreisen. Sie sind überall. Eine grobe Schätzung von kleinen Meteoriten im inneren Sonnensystem Ihre Gesamtmasse wird auf 55 Billionen Tonnen geschätzt (Wenn sie alle zu einem Felsen kombiniert würden, wäre er etwa so groß wie eine kleine Insel.)

Wenn Sie also ein Raumschiff in den Weltraum schicken, werden Ihre Instrumente sicher irgendwann auf eines dieser kleinen Stückchen Weltraumgestein stoßen. In diesem Wissen werden Raumfahrzeugingenieure ihre Fahrzeuge mit bestimmten Schutzvorrichtungen bauen, um sie vor Mikrometeoriteneinschlägen zu schützen. Oft enthalten sie eine sogenannte Whipple-Abschirmung, bei der es sich um eine spezielle, mehrschichtige Barriere handelt. Wenn der Schild von einem kleinen Meteor getroffen wird, passiert das Partikel die erste Schicht und zersplittert weiter, sodass die zweite Schicht mit kleineren Partikeln kollidiert. Diese Abschirmung wird typischerweise um empfindliche Komponenten eines Raumfahrzeugs herum verwendet, um zusätzlichen Schutz bereitzustellen.

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Aber mit dem James Webb Space Telescope der NASA oder JWST ist es komplizierter. Goldbeschichtete Teleskopspiegel müssen der Weltraumumgebung ausgesetzt werden, um Licht aus dem fernen Universum richtig zu sammeln. Und obwohl diese Spiegel so gebaut sind, dass sie einigen Einschlägen standhalten, sind sie bei größeren Mikrometeoriteneinschlägen, wie demjenigen, der JWST im Mai getroffen hat, so etwas wie eine Fluchthilfe. Obwohl der Mikrometeorit immer noch kleiner als ein Sandkorn war, war er größer als von der NASA erwartet – genug, um einen der Spiegel zu beschädigen.

Betreiber von Raumfahrzeugen modellieren die Ansammlungen mikroskopisch kleiner Meteoriten im Weltraum, um besser zu verstehen, wie oft ein Raumfahrzeug in einem bestimmten Teil des Sonnensystems getroffen werden könnte – und welche Partikelgröße sein Instrument treffen könnte. Aber bis dahin ist es kein narrensicheres System. „Es ist alles eine Möglichkeit“, sagt David Malaspina, ein Astrophysiker an der University of Colorado, der sich auf die Auswirkungen von kosmischem Staub auf Raumfahrzeuge konzentriert. die Kante. „Man kann einfach sagen: ‚Ich habe eine Chance, diese Partikelgröße zu treffen. „Aber ob du es tust oder nicht, es ist Zufall.“

Beispiele für verschiedene Arten der Whipple-Abschirmung
Foto: NASA

Mikrometeoriten haben eine breite Palette von Entstehungsgeschichten. Sie könnten Überbleibsel von Hochgeschwindigkeitskollisionen im Weltraum sein, die Weltraumfelsen in winzige Stücke zerschmettern. Asteroiden und Kometen werden im Laufe der Zeit auch von Weltraumpartikeln und Photonen der Sonne bombardiert, wodurch winzige Fetzen entstehen. Der Asteroid kann auch einem so großen Planeten wie Jupiter nahe kommen, wo die starke Anziehungskraft Gesteinsbrocken dehnt. Oder ein Objekt könnte der Sonne zu nahe kommen und sehr heiß werden, wodurch sich die Felsen ausdehnen und in Stücke brechen. Es gibt sogar mikroskopisch kleine interstellare Meteoriten, die gerade aus entfernten kosmischen Nachbarschaften unser Sonnensystem durchqueren.

Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Teilchen bewegen, hängt von der Region des Weltraums ab, in der sie sich befinden, und von der Bahn, die sie um unseren Stern nehmen, und beträgt im Durchschnitt etwa 45.000 Meilen pro Stunde oder 20 Kilometer pro Sekunde. Ob es Ihr Raumschiff trifft oder nicht, hängt auch davon ab, wo sich Ihr Raumschiff im Weltraum befindet und wie schnell es sich bewegt. Beispielsweise ist die Parker Solar Probe der NASA derzeit das sonnennächste von Menschenhand geschaffene Objekt, das sich mit einer Höchstgeschwindigkeit von mehr als 400.000 Meilen pro Stunde bewegt. „Es reicht bis zur 4-Yard-Linie, verglichen mit der Erde, die an einer Endregion ganz unten liegt“, sagt Malaspina, die sich auf die Untersuchung der Auswirkungen von Mikrometeoriten auf die Parker Solar Probe konzentriert hat. Es bewegt sich auch durch den dichtesten Teil einer Region namens Tierkreiswolke, einer dicken Scheibe aus Weltraumpartikeln, die unser Sonnensystem durchdringt. Die Parker Solar Probe wird also häufiger von Sand angegriffen als JWST – und sie kollidiert mit diesen Partikeln mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten, als es ein Teleskop tun würde.

Die Parker Solar Probe gibt uns ein besseres Verständnis der Mikrometeoroiden um die Sonne, Aber wir haben auch ein gutes Verständnis für die Bevölkerung rund um die Erde. Wenn ein kleiner Meteor die obere Atmosphäre um unseren Planeten trifft, verbrennt er und erzeugt Meteorrauch – winzige, messbare Rauchpartikel. Die Menge dieses Rauchs kann uns sagen, wie viel Staub im Laufe der Zeit auf die Erde trifft. Darüber hinaus gab es Experimente auf der Internationalen Raumstation, wo das Material auf der Außenfläche des umlaufenden Labors installiert wurde, um zu sehen, wie oft es bombardiert wurde.

Kunstausstellung der Parker Solar Probe der NASA
Foto: NASA

Während JWST etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt lebt, ist es immer noch relativ nah. Wissenschaftler haben auch eine Vorstellung davon, was da draußen ist, basierend auf anderen Missionen, die in eine ähnliche Umlaufbahn wie JWST geschickt wurden. Die meisten Dinge, die das Teleskop treffen, sind nicht so wichtig. „Raumschiffe treffen ständig kleine Kinder“, sagt Malaspina. „Mit wenig meine ich Bruchteile eines Mikrometers – viel kleiner als ein menschliches Haar. Und zum größten Teil bemerken Raumfahrzeuge es nicht einmal.“ Tatsächlich wurde JWST bereits von vier kleinen Meteoren getroffen, bevor es im Mai den größeren Mikrometeorit traf.

Die NASA hat die Umgebung von Mikrometeoriten vor dem JWST-Start modelliert, aber angesichts der jüngsten Auswirkungen hat die Agentur ein neues Team zusammengestellt, um ihre Modelle zu verbessern und besser vorherzusagen, was mit dem Teleskop nach zukünftigen Einschlägen passieren könnte. Die Modellierung aktueller Mikrometeoriten wird versuchen, Dinge vorherzusagen, wie sich Trümmer durch eine Umlaufbahn ausbreiten, wenn ein Asteroid oder Komet abstürzt. Diese Art von Wrack ist dynamischer, sagt Malaspina, was es schwieriger macht, sie vorherzusagen.

Am Ende des Tages wird Ihnen die Vorhersage jedoch einfach mehr Wissen darüber vermitteln Wenn Ein Raumschiff könnte ein großes Staubkorn treffen. Solche Einmaleffekte sind einfach unvermeidlich. Der JWST-Ausbruch würde sich im Laufe der Zeit fortsetzen, aber dies war eine Möglichkeit, auf die sich die NASA immer vorbereitet hatte. „Man muss einfach mit der Möglichkeit leben, dass man irgendwann auf staubgroße Partikel stößt, und man tut sein Bestes mit der Technik“, sagt Malaspina.