Ученые описали, что происходит в плазме — заряженном газе — с атомами кальция и железа и их оксидами, которые образуются при разрушении соединений, входящих в состав метеоров и защитной обшивки космических аппаратов. Оказалось, что испаренное вещество уносится за пределы плазмы ударной волной, а оксиды образуются как в центре плазменного облака, так и на периферии плазмы в результате взаимодействия атомов железа и кальция с кислородом воздуха. Подобные процессы наблюдаются при вхождении метеоров и других космических тел в атмосферу Земли. Поэтому полученные результаты помогут точнее описывать разрушение космических тел и объектов искусственного происхождения при их вхождении в атмосферу — например, определять, какие воздействия испытывает обшивка космических аппаратов и как меняются ее свойства. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.
Когда космическое тело, например метеор или космический корабль, входит в атмосферу Земли, вокруг него образуется плазменное облако — область заряженного газа. Находясь в нем, объект может частично или полностью разрушиться — метеоры сгореть, а обшивка корабля повредиться, как это недавно случилось с новой ракетой SpaceX Starship. Чтобы сделать защиту запускаемых в космос аппаратов более стойкой или рассчитать степень разрушения метеора в атмосфере, необходимо понимать причину таких разрушений: происходят ли они из-за того, что материал испаряется с поверхности, или потому, что его частицы выносятся с поверхности ударной волной и затем догорают в плазме.
Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) разработали метод, который позволяет понять, что происходит в плазме с соединениями кальция и железа. Эти вещества были выбраны потому, что они входят в состав материалов, использующихся для обшивки спутников и ракет, а также присутствуют в астероидах. Авторы поместили в вакуумную камеру мишень из карбоната кальция и оксида железа — прессованный в таблетку порошок. Затем на мишень направили луч мощного лазера, под действием которого образовалась плазма. Ее фотографировали с помощью чувствительной скоростной камеры, собственноручно сконструированной и собранной одним из авторов работы. Это позволило ученым оценить границы плазменного облака.
Чтобы понять, как частицы мишени ведут себя в плазме, ее «прощупывали» лучом синего цвета другого, титан-сапфирового лазера. Излучение выборочно возбуждало атомы и оксиды, образовавшиеся из испаренного материала мишени. В ответ эти частицы испускали специфическое для них свечение (флуоресценцию), которое авторы регистрировали с помощью спектрометра.
Особенность прибора состояла в том, что он позволил регистрировать сигналы одновременно от двух разных частиц — от оксида кальция и от железа. Ранее по флуоресценции ученым удавалось отслеживать только какой-то один элемент. Поскольку интенсивность свечения непосредственно связана с концентрацией частиц, исследователи смогли поточечно определить относительное содержание кальция, железа и их оксидов и построить карту их распределения внутри плазменного облака.
Оказалось, что на границах разлетающегося облака частиц доля оксида кальция больше примерно в пять раз, чем в центре. Это означает, что оксиды на границах плазменного облака представляют собой не разлагающийся материал мишени, а вновь образовавшиеся молекулы. Они формируются при взаимодействии атомов кальция, до которых в плазме мгновенно разлагается материал мишени, с содержащимся в атмосфере кислородом. Учитывая флуоресценцию оксидов, можно определить давление, при котором это взаимодействие становится значимым, и оценить границы прохождения ударной волны, образующейся при испарении вещества.
«В дальнейшем мы планируем расширить наши возможности по наблюдению за изменением вещества в плазме, добавив к рассмотрению флуоресценцию титана и алюминия, так как эти элементы составляют основу многих конструкционных материалов»,— поясняет ключевой исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Закускин, аспирант кафедры лазерной химии химического факультета МГУ.
Разработанная методика изучения процессов, которые происходят в плазме в условиях, близких к верхним слоям атмосферы, может использоваться для предварительного тестирования новых защитных материалов спутников и ракет, а также позволит лучше моделировать процессы, происходящие при вхождении метеоров в атмосферу планет.
«Если говорить в целом о развитии метода лазерной-индуцированной флуоресценции, то она может быть использована для бесконтактного контроля за различными опасными веществами, например при определении изотопов урана, что важно для ядерной энергетики», — рассказывает участник проекта Тимур Лабутин, кандидат химических наук, доцент кафедры лазерной химии химического факультета МГУ.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
