Как погибают спутники
Почему пылинка похожа на атомную бомюу? Звучит как детская загадка, но отгадка у неё вполне серьёзная и объясняет множество случаев досрочного выхода из строя искусственных спутников.
Загадка касается только тех частиц вещества, которые движутся со скоростью не меньше 70 км/с. На такой скорости частицы генерируют электромагнитные волны с энергией, достаточной для того, чтобы нарушить работу электроники.
По крайней мере так предполагают Сигрид Клоуз (Sigrid Close), физик из Стэнфорда. Идея пришла ей в голову в 2010 году, во время экспериментов по бомбардировке материалов, которые используются в космических приборах, высокоэнергетическими частицами в институте Общества Макса Планка в немецком Гейдельберге. Эксперименты должны были подтвердить или опровергнуть гипотезу о том, что микрометеороид (так по-научному называются пылинки) не только наносит точечный удар по космическому аппарату, но и порождает ударную волну, приводящую к точечной коррозии металла.
Более того, такой удар в состоянии породить небольшой сгусток ионной плазмы — вещества, в котором электроны приобрели такую высокую энергию, что оторвались от ядер. Так же, как плазма во время взрыва атомной бомбы, крошечный островок плазмы, возникший в результате столкновения микрометеороида с металлом спутника, очень быстро расширяется. В этом расширении возникает дисбаланс: лёгкие электроны движутся быстрее, чем тяжёлые ионы. Возникает область, насыщенная отрицательно заряженными электронами, и область, насыщенная положительно заряженными ионами, а между ними — электрическое поле, достаточно сильное, чтобы нарушить работу электронных систем спутника.
Подобные эффекты, возникающие во время ядерного взрыва, поражают электронные устройства в радиусе многих километров. «Взрыв» микрометеороида способен породить электромагнитное поле, губительное для техники в радиусе нескольких сантиметров. Но этого достаточно, чтобы сломать спутник, считает Клоуз.
Смоделировать эти процессы сложнее, чем рассчитать. Недавно Клоуз совместно с коллегой из MIT, Алексом Флетчером (Alex Fletcher) опубликовала в журнале Physics of Plasmas статью с описанием математической модели, созданную при помощи метода «частиц в ячейках».
Этот метод позволяет предсказывать поведение миллиардов частиц в сгустке плазмы, разделяя их на группы — «суперчастицы». К таким суперчастицам, в отличие от отдельных электронов и ионов, можно применять статистические методы и с известной степенью правдоподобности предсказывать их движение. Модель, созданная Клоуз и Флетчером, показала, что расширение даже очень маленьких участков плазмы может порождать более высокоэнергетическое излучение, чем предполагалось, и что его достаточно, чтобы заставить замолчать все электронные системы современного спутника.
Если расчёты Клоуз и Флетчера потвердятся экспериментами, спутники придётся дополнительно защищать от столкновений с микрометеороидами. Это обойдётся недёшево — но терять выведенные на орбиту спутники в середине срока эксплуатации тоже невыгодно.