Ионно-звуковые волны помогут определять местоположение космического мусора

Команда ученых НИТУ «МИСиС» и Института ядерной физики в Калькутте предложила новый способ обнаружения космического мусора с помощью ионно-звуковых волн, возникающих в результате движения мусорных объектов на низкой околоземной орбите. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysics and Space Science.

Космический мусор – это неработоспособные объекты, запущенные человеком в космос, и их фрагменты, а также метеороиды и другие нерукотворные неактивные объекты в околоземном космическом пространстве. Эти объекты движутся в плазме, которая окружает околоземную орбиту. Поскольку скорость движения космического мусора может достигать 10 км/с, даже фрагменты размером в несколько микрон могут нанести серьезные повреждения летательным аппаратам, особенно пилотируемым. Для сравнения, человеческий глаз не способен разглядеть частицы размером менее 40 микрон.

Работы по мониторингу космического мусора ведутся давно, и наблюдение за волнами, которые возникают в плазме в результате движения мусора, заряженного под воздействием солнечного излучения и других видов космической радиации, может стать одним из методов непрямой детекции опасных мусорных фрагментов.

Так как плазма состоит из заряженных частиц, движение мусора оказывает на нее влияние, схожее с процессом образования волн на воде. В результате образуются ионно-звуковые волны — специфические волны, связанные с колебанием ионов, которые возникают в плазме. Они представляют собой волны уплотнения в плазме, поэтому и называются акустическими, так как звук — это тоже волны уплотнения, но уже в воздухе. При достаточно высокой амплитуде они становятся нелинейными и преобразуются в солитоны – структурно устойчивые звуковые волны, распространяющиеся только в нелинейной среде. Отличительной чертой солитонов является то, что при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а продолжают движение, сохраняя свою структуру неизменной.

В ходе исследования ученые впервые рассчитали точные параметры ускоренного солитона, возникающего при движении космического мусора в плазме при помощи математической модели, в которой член уравнения, отвечающий за космический мусор, называется источником. Он представляет собой заряд, который создает электрическое поле. Так как мусор движется, источник в уравнении меняется во времени и в пространстве. Это приводит к появлению ускоренных солитонов, а не обычных, которые движутся с постоянной скоростью.

Зная, как именно свойства характерных для космического мусора солитонов определяются положением и скоростью движения фрагментов в плазменной среде, становится возможным регистрировать опасные фрагменты на околоземной орбите по специфическим солитонам, которые они создают. Таким образом, работа ученых может составить теоретическую основу принципиально нового метода мониторинга движения космического мусора.