Ny laserteknik identificerer sammensætningen af ​​rumaffald, fra malede skår til teflon

Hundredvis af millioner af rumskrot kredser dagligt om Jorden, fra chips af gammel raketmaling, til skår af solpaneler, og hele døde satellitter. Denne sky af højteknologisk detritus hvirvler rundt på planeten omkring klokken 17, 500 miles i timen. Ved disse hastigheder, selv skrald så lille som en sten kan torpedere et forbipasserende rumfartøj.

NASA og det amerikanske forsvarsministerium bruger jordbaserede teleskoper og laserradarer (ladarer) til at spore mere end 17, 000 orbitale affaldsobjekter for at hjælpe med at forhindre kollisioner med operationelle missioner. Sådanne ladarer skinner kraftige lasere på målobjekter, måling af den tid, det tager for laserpulsen at vende tilbage til Jorden, at lokalisere affald på himlen.

Nu har rumfartsingeniører fra MIT udviklet en lasersensorteknik, der ikke kun kan tyde hvor, men også hvilken slags rumskrot der passerer over hovedet. For eksempel, teknikken, kaldet laserpolarimetri, kan bruges til at afgøre, om et stykke affald er bart metal eller dækket af maling. Forskellen, ingeniørerne siger, kunne hjælpe med at bestemme en genstands masse, momentum, og potentiale for ødelæggelse.

"I rummet, ting har bare en tendens til at gå i stykker over tid, og der har været to store kollisioner i løbet af de sidste 10 år, der har forårsaget ret betydelige stigninger i affald, " siger Michael Pasqual, en tidligere kandidatstuderende i MIT's Department of Aeronautics and Astronautics. "Hvis du kan finde ud af, hvad et stykke affald er lavet af, du kan vide, hvor tung den er, og hvor hurtigt den kan gå i kredsløb over tid eller ramme noget andet."

Kerri Cahoy, Rockwell International Career Development Associate Professor i luftfart og astronautik ved MIT, siger, at teknikken nemt kan implementeres på eksisterende jordbaserede systemer, der i øjeblikket overvåger orbitale affald.

"[Regeringsagenturer] vil gerne vide, hvor disse bidder af affald er, så de kan ringe til den internationale rumstation og sige, 'En stor del af snavs kommer din vej, skyd dine thrustere og bevæg dig op, så du er klar, "" siger Cahoy. "Mike fandt på en måde, hvor med nogle få ændringer af optikken, de kunne bruge de samme værktøjer til at få mere information om, hvad disse materialer er lavet af."

Pasqual og Cahoy har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet IEEE-transaktioner på rumfarts- og elektroniske systemer .

Ser en signatur

Holdets teknik bruger en laser til at måle et materiales effekt på lysets polarisationstilstand, som refererer til orienteringen af ​​lysets oscillerende elektriske felt, der reflekteres fra materialet. For eksempel, når solens stråler reflekteres fra en gummikugle, det indkommende lyss elektriske felt kan svinge lodret. Men visse egenskaber ved boldens overflade, såsom dens ruhed, kan få det til at reflektere med en vandret svingning i stedet, eller i en helt anden orientering. Det samme materiale kan have flere polarisationseffekter, afhængigt af den vinkel, lyset rammer den i.

Pasqual ræsonnerede, at et materiale som maling kunne have en anden polarisering "signatur, "reflekterende laserlys i mønstre, der er forskellige fra mønstrene af, sige, bart aluminium. Polarisationssignaturer kan derfor være en pålidelig måde for videnskabsmænd at identificere sammensætningen af ​​orbitale affald i rummet.

For at teste denne teori, han opstillede et bordpolarimeter - et apparat, der måler, i mange forskellige vinkler, polariseringen af ​​laserlys, når det reflekteres fra et materiale. Holdet brugte en kraftig laserstråle med en bølgelængde på 1, 064 nanometer, svarende til de lasere, der bruges i eksisterende jordbaserede ladarer til at spore orbitalt affald. Laseren var vandret polariseret, hvilket betyder, at dets lys svingede langs et vandret plan. Pasqual brugte derefter polarisationsfiltreringsoptik og siliciumdetektorer til at måle polarisationstilstandene for det reflekterede lys.

Sigte gennem rumaffald

Ved valg af materialer til at analysere, Pasqual valgte seks, der almindeligvis bruges i satellitter:hvid og sort maling, aluminium, titanium, og Kapton og Teflon - to filmlignende materialer, der bruges til at afskærme satellitter.

"Vi troede, at de var meget repræsentative for, hvad du kunne finde i rumaffald, " siger Pasqual.

Han placerede hver prøve i forsøgsapparatet, som var motoriseret, så målinger kunne foretages i forskellige vinkler og geometrier, og målte dens polarisationseffekter. Ud over at reflektere lys med samme polarisering som det indfaldende lys, materialer kan også vise andre, fremmed polarisationsadfærd, såsom at rotere lysets svingning lidt – et fænomen, der kaldes retardans. Pasqual identificerede 16 hovedpolarisationstilstande, noterede sig derefter, hvilke effekter et givet materiale udviste, da det reflekterede laserlys.

"Teflon havde en meget unik egenskab, hvor når du skinner laserlys med en lodret svingning, den spytter en eller anden lysvinkel tilbage, " siger Pasqual. "Og nogle af malingerne havde depolarisering, hvor materialet vil spytte lige store kombinationer af lodrette og vandrette tilstande ud."

Hvert materiale havde en tilstrækkelig unik polarisationssignatur til at skelne det fra de andre fem prøver. Pasqual mener, at andre rumfartsmaterialer, såsom forskellige afskærmningsfilm, eller kompositmaterialer til antenner, solceller, og printkort, kan også udvise unikke polarisationseffekter. Hans håb er, at forskere kan bruge laserpolarimetri til at etablere et bibliotek af materialer med unikke polarisationssignaturer. Ved at tilføje visse filtre til lasere på eksisterende jordbaserede ladarer, videnskabsmænd kan måle polarisationstilstandene af passerende affald og matche dem til et bibliotek af signaturer for at bestemme objektets sammensætning.

"Der er allerede en masse faciliteter på jorden til at spore affald, som det er, " siger Pasqual. "Pointen med denne teknik er, mens du gør det, du kan lige så godt sætte nogle filtre på dine detektorer, der registrerer polarisationsændringer, og det er disse polarisationsfunktioner, der kan hjælpe dig med at udlede, hvad materialet er lavet af. Og du kan få mere information, stort set gratis."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.