Специалисты Университета Дуйсбурга-Эссена и Немецкого аэрокосмического центра (DLR) решили выяснить, как разная сила тяжести влияет на поведение космического грунта. Для этого они буквально сбросили образцы планетных материалов с высоты, наблюдая, насколько рыхлой становится космическая пыль в условиях микрогравитации.
Для эксперимента ученые выбрали три типа материала, имитирующего космический реголит: мелкий базальт, крупный базальт и сферические стеклянные шарики. Базальт считается золотым стандартом для моделирования лунного и марсианского грунта, поскольку имеет плотность и угловатую структуру, схожую с образцами, доставленными миссиями «Аполлон». Идеально гладкие стеклянные шарики служили контрольной группой.
Эксперименты проводились в башне GraviTower Pro Bremen в Германии. Эта «гравитационная башня» обеспечивает до 2,5 секунды микрогравитации при свободном падении капсулы. Для опыта в капсуле установили линейный двигатель, который позволял создавать не только почти невесомость, но и заданное «частичное» притяжение: от 150 до 1000 мм/с² (для сравнения, земное — около 9800 мм/с²). Так можно смоделировать условия на малых телах — от астероидов до малых лун.
Почему эксперимент проводили в специальной башне, а не на самолете с параболическими «горками», которые часто используют для моделирования условий космоса? Самолет дает больше времени невесомости, но при этом вносит вибрации, которые сотрясают грунт и могут слишком уплотнить его, исказив результат. В башне условия более чистые.
В капсулу также поместили вибромотор, который активно встряхивал образцы на участке микрогравитации, и камеру, фиксирующую весь процесс. Ученые ожидали, что при слабой гравитации на первый план выйдут силы Ван-дер-Ваальса — слабые электростатические взаимодействия между частицами, которые на Земле почти полностью скомпенсированы силой тяжести.
Так и произошло. Во всех режимах пониженной гравитации каждый образец занимал заметно больший объем, то есть становился более «рыхлым». Но степень этого эффекта сильно различалась. Мелкий базальтовый порошок при ускорении 250 мм/с² увеличивал свой объем почти на 20%. Крупный базальт сильнее всего «распушался» при 150 мм/с², прибавляя около 12%. А вот стеклянные шарики расширились всего на 4,25%.
Главная причина — геометрия частиц. Угловатые зерна базальта цепляются друг за друга, образуя устойчивые, но очень рыхлые структуры. В слабой гравитации их собственный вес уже не настолько велик, чтобы разрушить эту «паутину», и ее структуру поддерживают сухое трение и силы Ван-дер-Ваальса. Гладкие сферы таких зазубрин не имеют, поэтому и не способны образовывать рыхлые структуры.
Авторы работы признают, что у их эксперимента есть ограничения: 2,5 секунды — это очень мало для полного оседания, кроме того, на поведение грунта могли повлиять стенки контейнеров. Тем не менее, полученные результаты позволяют лучше понять, как ведет себя реголит на астероидах и малых лунных телах. Эти знания критичны для будущей добычи ресурсов в космосе: техника может выйти из строя, если не учесть, что в микрогравитации грунт будет одновременно очень сыпучим и необычно «липким». Чем лучше мы поймем поведение и свойства космической пыли, тем меньше сюрпризов она преподнесет нам во время реальных инопланетных миссий.
Ранее ученые придумали, как делать «биокирпичи» из марсианского грунта.
Источник: hi-tech.mail.ru