Сила гравитации варьируется на разных небесных телах Солнечной системы — от мощного притяжения Юпитера до незначительной гравитации малых астероидов — и неизменно сказывается на характеристиках грунта, который покрывает эти объекты.
Ученые из Университета Дуйсбурга-Эссена и Немецкого аэрокосмического центра (DLR) решили исследовать, как различная сила тяжести влияет на поведение космического грунта. Для этого они сбросили образцы планетных материалов с высоты, наблюдая, насколько рыхлой становится космическая пыль в условиях микрогравитации.
Для эксперимента были выбраны три типа материалов, имитирующих космический реголит: мелкий базальт, крупный базальт и стеклянные шарики. Базальт считается эталоном для моделирования лунного и марсианского грунта, так как обладает плотностью и угловатой структурой, схожей с образцами, привезенными миссиями «Аполлон». Идеально гладкие стеклянные шарики выступали в роли контрольной группы.
Эксперименты проходили в башне GraviTower Pro Bremen в Германии. Эта «гравитационная башня» обеспечивает до 2,5 секунд микрогравитации при свободном падении капсулы. В капсуле был установлен 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). Это позволяло моделировать условия на малых телах — от астероидов до малых лун.
Почему эксперимент проводился в специальной башне, а не на самолете с параболическими «горками», которые часто используют для имитации космических условий? Самолет дает больше времени невесомости, но в то же время вызывает вибрации, которые могут сотрясать грунт и слишком уплотнять его, искажая результаты. В башне условия гораздо более чистые.
В капсулу также был помещен вибромотор, который активно встряхивал образцы в условиях микрогравитации, и камера, фиксирующая весь процесс. Ученые ожидали, что в условиях слабой гравитации на первый план выйдут силы Ван-дер-Ваальса — слабые электростатические взаимодействия между частицами, которые на Земле почти полностью компенсируются силой тяжести.
Так и произошло. Во всех режимах пониженной гравитации каждый образец занимал значительно больший объем, становясь более «рыхлым». Однако степень этого эффекта заметно различалась. Мелкий базальтовый порошок при ускорении 250 мм/с² увеличивал свой объем почти на 20%. Крупный базальт больше всего «распушался» при 150 мм/с², добавляя около 12%. А стеклянные шарики расширились всего на 4,25%.
Основная причина — геометрия частиц. Угловатые зерна базальта цепляются друг за друга, образуя устойчивые, но очень рыхлые структуры. В условиях слабой гравитации их собственный вес уже не так велик, чтобы разрушить эту «паутину», и ее структуру поддерживают сухое трение и силы Ван-дер-Ваальса. Гладкие сферы не имеют таких зазубрин, поэтому не способны формировать рыхлые структуры.
Авторы исследования 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 помогают лучше понять, как ведет себя реголит на астероидах и малых лунных телах. Эти сведения критически важны для будущей добычи ресурсов в космосе: техника может дать сбой, 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 неприятных сюрпризов она может преподнести во время реальных миссий к другим планетам.
Фото: hi-tech.mail.ru