Περίπου 400 χιλιόμετρα πάνω από τη Γη, ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (ISS) πετάει μέσα σε ένα είδος αόρατου χημικού καιρού. Ο σταθμός δεν κινείται μέσα στο κενό διάστημα. Κινείται μέσα στην λεπτή ανώτερη ατμόσφαιρα, όπου το ηλιακό φως διασπά τα μόρια οξυγόνου σε μεμονωμένα άτομα οξυγόνου. Αυτά τα άτομα είναι αντιδραστικά, κινούνται γρήγορα και επιβαρύνουν τα υλικά που χρησιμοποιούνται εκτός των διαστημοπλοίων σύμφωνα με το spacedaily .
Το ατομικό οξυγόνο δεν διαπερνά τον ISS όπως το οξύ μέσα από το χαρτί. Η διαδικασία είναι πιο αργή, πιο ανεπαίσθητη και πιο εξειδικευμένη στη μηχανική από αυτό. Αλλά με την πάροδο των ετών σε χαμηλή τροχιά της Γης, μπορεί να διαβρώσει πολυμερή, να θαμπώσει τις επιστρώσεις, να αλλάξει τις οπτικές επιφάνειες και να αναγκάσει τους σχεδιαστές διαστημοπλοίων να σκεφτούν προσεκτικά κάθε εκτεθειμένη κουβέρτα, στρώμα χρώματος, σφράγιση, μεμβράνη και σύνθετο πάνελ.
Το πιο συνηθισμένο σωματίδιο σε χαμηλή τροχιά της Γης είναι επίσης ένα από τα πιο διαβρωτικά.
Εδώ κάτω, το οξυγόνο που αναπνέουν οι άνθρωποι είναι κυρίως O2: δύο άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα μεταξύ τους. Σε χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη, η υπεριώδης ακτινοβολία από τον Ήλιο μπορεί να διασπάσει αυτά τα μόρια σε μεμονωμένα άτομα οξυγόνου.
Αυτά τα μεμονωμένα άτομα είναι χημικά αντιδραστικά. Ένα διαστημόπλοιο σε χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη κινείται επίσης με περίπου οκτώ χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, επομένως η πρόσκρουση μεταξύ μιας επιφάνειας και του επερχόμενου περιβάλλοντος ατομικού οξυγόνου είναι αρκετά ενεργητική ώστε να προκαλέσει ζημιά σε ευάλωτα υλικά με την πάροδο του χρόνου.
Η εργασία της NASA για τα υλικά περιγράφει το πρόβλημα με σαφήνεια: τα πολυμερή και άλλα οξειδώσιμα υλικά στο εξωτερικό του διαστημοπλοίου σε χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη μπορούν να διαβρωθούν από την αντίδραση με το ατομικό οξυγόνο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μηχανικοί χρειάζονται δεδομένα πτήσης πριν εμπιστευτούν ένα υλικό στο εξωτερικό ενός διαστημοπλοίου μεγάλης διάρκειας.
Πώς οι μηχανικοί έμαθαν να λαμβάνουν σοβαρά υπόψη την απειλή
Ο κίνδυνος έγινε πιο σαφής καθώς το διαστημόπλοιο άρχισε να επιστρέφει από χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη με εκτεθειμένες επιφάνειες που είχαν αλλάξει με τρόπο που οι μηχανικοί μπορούσαν να μετρήσουν.
Τα υλικά που φαίνονταν σταθερά στη Γη θα μπορούσαν να χάσουν μάζα, να τραχυνθούν, να σκουρύνουν, να ραγίσουν ή να αλλάξουν τις οπτικές τους ιδιότητες μετά από χρόνο σε τροχιά. Η πλευρά ενός διαστημοπλοίου που βλέπει προς την κατεύθυνση του ταξιδιού του, γνωστή ως κατεύθυνση εμβόλου, συνήθως δέχεται την πιο σκληρή έκθεση σε ατομικό οξυγόνο. Οι επιφάνειες που βλέπουν προς τα ίχνη είναι γενικά λιγότερο εκτεθειμένες.
Το Ερευνητικό Κέντρο Glenn της NASA έχει περάσει δεκαετίες μετατρέποντας αυτή την τροχιακή ζημιά σε μηχανικά δεδομένα. Η εργασία του με το Πείραμα του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού Υλικών, ή MISSE, έχει χρησιμοποιήσει δίσκους με δείγματα δοκιμών τοποθετημένους έξω από τον ISS για να μετρήσει πώς συμπεριφέρονται τα πολυμερή, τα σύνθετα υλικά, οι επιστρώσεις και άλλα υλικά διαστημικών σκαφών στο πραγματικό περιβάλλον χαμηλής τροχιάς της Γης.
Αυτή η διάκριση έχει σημασία. Οι θάλαμοι εδάφους μπορούν να προσομοιώσουν το ατομικό οξυγόνο, την υπεριώδη ακτινοβολία και τον θερμικό κύκλο, αλλά το διάστημα εκθέτει τα υλικά στον συνδυασμό με τρόπους που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν τέλεια στη Γη. Το MISSE παρέχει στους μηχανικούς δεδομένα άμεσης πτήσης από το ίδιο τροχιακό περιβάλλον στο οποίο πολλά μελλοντικά διαστημόπλοια θα πρέπει να επιβιώσουν.
δείγμα διάβρωσης ατομικού οξυγόνου
Το ατομικό οξυγόνο είναι ιδιαίτερα σκληρό για τα πολυμερή με βάση τον άνθρακα. Το Kapton, μια μεμβράνη πολυϊμιδίου που χρησιμοποιείται ευρέως στη μόνωση διαστημικών σκαφών, είναι ένα από τα κλασικά παραδείγματα. Είναι πολύτιμο επειδή χειρίζεται μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας, αλλά αν αφεθεί απροστάτευτο σε χαμηλή τροχιά της Γης, το ατομικό οξυγόνο μπορεί να το διαβρώσει.
Άλλα υλικά μπορούν να υποφέρουν με διαφορετικούς τρόπους. Τα σύνθετα άνθρακα μπορούν να χάσουν μάζα. Οι επιστρώσεις μπορούν να αλλάξουν την ανακλαστικότητα. Ορισμένες οπτικές επιφάνειες μπορεί να τραχυνθούν. Το πρόβλημα δεν είναι ότι κάθε υλικό διαστημικού σκάφους καταρρέει γρήγορα. Είναι ότι το λάθος εκτεθειμένο υλικό, σε λάθος τροχιακή κατεύθυνση, κατά τη διάρκεια της λάθος αποστολής, μπορεί να αποτύχει πιο γρήγορα από ό,τι αναμένουν οι σχεδιαστές.
Γι' αυτό τα εκτεθειμένα πολυμερή συχνά προστατεύονται με λεπτές ανόργανες επιστρώσεις. Το διοξείδιο του πυριτίου, το οξείδιο του αργιλίου και άλλα σκληρά προστατευτικά στρώματα μπορούν να λειτουργήσουν ως φράγματα, δίνοντας στο ατομικό οξυγόνο κάτι λιγότερο ευάλωτο σε επιθέσεις πριν φτάσει στο υποκείμενο υλικό.
Το αποτέλεσμα δεν είναι μια μαγική ασπίδα. Είναι μια στοίβα μικρών αποφάσεων: ποιο πολυμερές, ποια επίστρωση, ποιος προσανατολισμός, ποια αναμενόμενη διάρκεια ζωής της αποστολής και πόση διάβρωση μπορεί να ανεχθεί πριν η επιφάνεια πάψει να λειτουργεί.
Ο ιαπωνικός δορυφόρος που πέταξε χαμηλά επίτηδες.
Όσο χαμηλότερα πετάει ένα διαστημόπλοιο, τόσο πιο πυκνή γίνεται η περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Αυτό συνήθως σημαίνει μεγαλύτερη αντίσταση, περισσότερη έκθεση σε ατομικό οξυγόνο και περισσότερη πίεση στις εκτεθειμένες επιφάνειες.
Ο Ιαπωνικός Δορυφόρος Δοκιμών Υπερχαμηλού Υψομέτρου, γνωστός και ως SLATS ή TSUBAME, κατασκευάστηκε για να εξερευνήσει αυτή τη δύσκολη περιοχή. Η αποστολή λειτούργησε σε πολύ χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη και μετέφερε όργανα σχεδιασμένα για να μελετήσουν την ατμοσφαιρική πυκνότητα, το ατομικό οξυγόνο και την υποβάθμιση των υλικών.
Έρευνα που βασίζεται στο SLATS περιγράφει τον δορυφόρο ως μια πλατφόρμα δοκιμών για την κατανόηση της συμπεριφοράς των υλικών σε υπερχαμηλή τροχιά. Αυτό είναι σημαντικό επειδή οι δορυφόροι σε πολύ χαμηλό υψόμετρο μπορούν να προσφέρουν ευκρινέστερη παρατήρηση της Γης και άλλα πλεονεκτήματα, αλλά μόνο εάν οι μηχανικοί μπορούν να λύσουν τα προβλήματα αντίστασης και υποβάθμισης της επιφάνειας που προκύπτουν από τις πτήσεις τόσο κοντά στην ανώτερη ατμόσφαιρα.
Γιατί αυτό έχει μεγαλύτερη σημασία τώρα
Η χαμηλή τροχιά της Γης γίνεται όλο και πιο γεμάτη. Οι αστερισμοί επικοινωνιών, οι στόλοι παρατήρησης της Γης, τα εθνικά συστήματα ασφαλείας και τα εμπορικά διαστημόπλοια εξαρτώνται όλα από υλικά που μπορούν να επιβιώσουν στο περιβάλλον γύρω από τη Γη για μήνες ή χρόνια.
Η πολύ χαμηλή τροχιά της Γης είναι ιδιαίτερα δελεαστική επειδή οι δορυφόροι που βρίσκονται πιο κοντά στη Γη μπορούν να συλλέξουν ευκρινέστερες εικόνες και μπορεί να χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για ορισμένες εργασίες επικοινωνιών. Αλλά η ίδια εγγύτητα φέρνει περισσότερη ατμοσφαιρική αντίσταση και περισσότερο ατομικό οξυγόνο.
Γι' αυτό το λόγο, οργανισμοί όπως η DARPA έχουν διερευνήσει τεχνολογίες για βιώσιμες λειτουργίες σε πολύ χαμηλή τροχιά της Γης. Το Popular Science ανέφερε το Project Daedalus της DARPA, ένα πρόγραμμα που στοχεύει στην προώθηση δορυφόρων σε χαμηλότερα τροχιακά καθεστώτα όπου η αντίσταση, η φόρτιση, ο διαστημικός καιρός και η διάβρωση του ατομικού οξυγόνου γίνονται όλα προβλήματα σχεδιασμού.
Ο συμβιβασμός είναι απλός να διατυπωθεί και δύσκολο να σχεδιαστεί: οι χαμηλότεροι δορυφόροι μπορούν να δουν τη Γη καλύτερα, αλλά η ατμόσφαιρα της Γης φτάνει μέχρι να τους συναντήσει.
Η παράξενη χρησιμότητα του ατομικού οξυγόνου
Υπάρχει μια παράξενη ανατροπή: η ίδια χημεία που βλάπτει τα διαστημόπλοια μπορεί να είναι χρήσιμη στη Γη.
Οι ερευνητές του NASA Glenn έχουν χρησιμοποιήσει ελεγχόμενη έκθεση σε ατομικό οξυγόνο για την αποκατάσταση έργων τέχνης. Ο Τεχνικός Διακομιστής Αναφορών της NASA περιγράφει την τεχνική ως έναν τρόπο αφαίρεσης ζημιών από έργα τέχνης που έχουν υποστεί παραμόρφωση ή έχουν υποστεί ζημιά από πυρκαγιά, όταν οι συμβατικές μέθοδοι μπορεί να μην είναι κατάλληλες.
Ο λόγος είναι η ίδια επιλεκτικότητα που καθιστά το ατομικό οξυγόνο τόσο σημαντικό σε τροχιά. Επιτίθεται σε οργανικό υλικό με βάση τον άνθρακα. Σε έναν ελεγχόμενο θάλαμο, αυτό μπορεί να επιτρέψει στους συντηρητές και τους μηχανικούς να αφαιρέσουν αιθάλη ή άνθρακα από ευαίσθητες επιφάνειες, αφήνοντας παράλληλα ορισμένες ανόργανες χρωστικές λιγότερο επηρεασμένες.
Σε τροχιά, το ατομικό οξυγόνο αποτελεί κίνδυνο. Σε ένα εργαστήριο, υπό έλεγχο, μπορεί να γίνει εργαλείο. Τι συμβαίνει όταν ο σταθμός τελικά κατέβει;
Ο ISS αναμένεται να τεθεί εκτός τροχιάς μετά το τέλος της λειτουργικής του ζωής, με τη NASA να σχεδιάζει μια ελεγχόμενη απόσυρση αντί να αφήσει τον σταθμό να αποσυντεθεί απρόβλεπτα σε τροχιά.
Όταν συμβεί αυτό, η δομή που θα επανεισέλθει στην ατμόσφαιρα θα φέρει το ρεκόρ δεκαετιών σε χαμηλή τροχιά της Γης. Μερικά από τα αρχικά της υλικά θα εξακολουθούν να υπάρχουν. Ορισμένα εξωτερικά στρώματα θα έχουν αντικατασταθεί, επισκευαστεί, προστατευθεί, σκουρύνει, αραιωθεί ή τροποποιηθεί χημικά. Ο σταθμός δεν θα είναι ακριβώς το ίδιο μηχάνημα που ήταν όταν εκτοξεύτηκε η πρώτη του μονάδα.
Αυτό κάνει η χαμηλή τροχιά της Γης. Φαίνεται άδειος από το έδαφος, αλλά για τις επιφάνειες των διαστημοπλοίων είναι ένα ενεργό περιβάλλον: ηλιακό φως, άτομα οξυγόνου, σωματίδια, συντρίμμια, θερμότητα, κρύο και χρόνος.
Η ατμόσφαιρα δεν τελειώνει καθαρά στην άκρη του διαστήματος. Σβήνει προς τα πάνω. Ο ISS έχει περάσει τη ζωή του μέσα σε αυτή την άκρη που εξασθενεί, επιβιώνοντας επειδή οι μηχανικοί έμαθαν ότι ακόμη και το εγγύς κενό μπορεί ακόμα να έχει δόντια.
www.worldenergynews.gr
