Исследование и реализация моделей
возникновения и регистрации космической пыли
возникновения и регистрации космической пыли
Научно-исследовательский проект
Нанозонд-1
- 24 днявремя исследования
- 149 кадровполучено на зондовом микроскопе
- 6 участниковпринимали участие
В данный момент в открытом космосе работает первый в мире космический сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000С, работающий в спутнике Земли Нанозонд-1.
Актуальность
Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000С для открытого космоса
В июне и октябре 2024, а так же в январе 2025 года было обнаружено падение частиц космической пыли на поверхность золотого зеркало данного микроскопа.
Анализ характерных сечений ярких точек, а также горизонтальных треков на кадрах, возможно связанных с упавшими на поверхность пылинками из космоса, которые при слабой проводимости двигаются зондом при сканировании.
Высказана гипотеза о существовании ещё одного механизма образования пыли в околоземном пространстве - за счёт образования частиц из атомов, снятых ионами солнечного ветра с поверхности космических объектов.
Корпус космического аппарата до и после его столкновения с ионами солнечного ветра
До
После
Из - за образующийся пыли загрязняются поверхности иллюминаторов, солнечных батарей, скафандров и многих других элементов в космосе.
Образующая на корабле пыль оказывает негативное влияние и на элементы этих же кораблей, оседая на корпусе
Эти наночастицы - пылинки плохо изучены в связи с маленькой чувствительностью к ним существующих датчиков.
Доказать гипотезу
Цель нашего проекта
Экспериментально проверить гипотезу возникновения пыли от испарения материалов космических объектов солнечным ветром.
1
Найти более устойчивый к солнечному ветру материал
Проведя экспериментальное исследование многих материалов, из которых строят космические корабли, определить, какой материал более устойчив к солнечному ветру
2
Смоделировать датчик
Промоделировать новый чувствительный датчик частиц космической пыли и написать патент.
3
Ход работы
1
Доказать гипотезу возникновения пыли от воздействия солнечного ветра
Первым этапом в нашей работе было доказательство гипотезы, о том, что от различных материалов действительно испаряются частички пыли под действием солнечного ветра
Мы провели эксперимент с вакумно плазменной установкой. 1 минута в такой плазме равна 42 дням воздействия солнечным ветром.
Вымытые заранее подложки мы поместили рядом с зоной воздействия плазмы, так, чтобы пыль, возникающая от испарения образцов плазмой попадала на наши подложки.
Вымытые заранее подложки мы поместили рядом с зоной воздействия плазмы, так, чтобы пыль, возникающая от испарения образцов плазмой попадала на наши подложки.
Подложку мы положили на расстоянии 10 см от распыляемого материала, в дальнейшем мы проводили эксперименты на разном расстоянии, для выявления зависимости
В качестве подложек, на которые мы ловили пылинки, мы использовали кварцевые пластинки со слоем 90нм хрома.
Первым делом мы получили кадр чистой пластинки на зондовом микроскопе.
Проведя эксперимент с напылением бронзой, мы подтвердили гипотезу об испарении пыли с металла при действии солнечного ветра.
2
Найти более устойчивый к солнечному ветру материал
Для регистрация наночастиц , мы провели экспериментальные исследования с десятью различными материалами, которые применяются при строительстве космических кораблей.
Каждый полученный на зондовом микроскопе кадр мы использовали, чтобы выяснить из какого материала будут испаряться меньшие по размеру и по плотности частицы.
Полученные данные помогут понять, какой материал подойдет лучше при конструкции кораблей.
Полученные данные помогут понять, какой материал подойдет лучше при конструкции кораблей.
Ниже вы можете ознакомится с нашими полученными кадрами для каждого материала, для анализа диаметра и плотности частиц на разном расстоянии подложки от распыляемого материала
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Алюминий АЛ30
Бронза БрБ2
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Алюминий АМГ6
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Кремний
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Графит
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Медь М0
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Сталь А2
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Титан
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Пермаллой
На расстоянии 5 см от места распыления
На расстоянии 10 см от места распыления
Тантал
На расстоянии 5 см от места распыления
На тантале частиц не обнаружено
Чтобы выявить зависимость размера частиц от расстояния нахождения подложки от распыляемого материала, мы провели эксперимент с распылением алюминия АМГ6 на разных расстояниях: 30, 50, 70, 90, 110 мм c воздействием плазмы 2 минуты
Вывод:
И соответсвенно общая модель в космосе выглядит:
Полученные кадры от распыления алюминия АМГ6 на разном расстоянии
Таким образом, мы можем смоделировать модель возникновения частиц от испарения материалов солнечным ветром
Вывод:
Средний диаметр частиц на расстоянии 100мм больше чем на 50мм, наибольшие частицы образуются у стали а2 и графита, наименьшие у бронзы.
Лучше всего поддается распылению бронза. Мы видим, что у нее наибольшая плотность попавших на подложку частиц. Хуже всего испаряется тантал и титан, тантал не распыляется совсем.
Лучше всего поддается распылению бронза. Мы видим, что у нее наибольшая плотность попавших на подложку частиц. Хуже всего испаряется тантал и титан, тантал не распыляется совсем.
По полученным данным можно построить график зависимости среднего диаметра частиц от расстояния от распыляемого материала, по которому видно размер образующихся частиц увеличивается с увеличением расстояния до мишени. Это происходит из-за того, что на атомы действует сила притяжения и они слипаются.
Вы можете полистать полученные снимки
3
Смоделировать датчик
Схема датчика
Проблему отсутствия датчика с нужной чувствительностью к очень мелкой пыли мы решили применив принцип тунельного микроскопа: в нем игла с точностью до сотых долей нанометра определяет положение точки образца, а в качестве образца мы сделали мембрану, которая прогибается, когда на нее падает частица.
Для того, чтобы убедится, что наш датчик будет обладать нужной чувствительностью, мы смоделировали быстрые легкие космические частицы медленными более тяжёлыми сахаринками, которые равны космическим по кинетической энергии воздействия, и провели обстрел этими сахаринками, сняли осциллограмы при попадании одной сахаринкой, несколькими и множеством сахаринок.
Измерение скорости полета сахаринки
Измерение среднего размера сахаринки, для получения средней массы, зная плотность сахара
Кинетическая энергия сахаринки и космической частицы по приблизительным расчетам равна 10-6 Дж.
Данные для сахаринки были получены экспериментальным путем, а для космической частицы были рассчитаны аналитически.
Данные для сахаринки были получены экспериментальным путем, а для космической частицы были рассчитаны аналитически.
Полученные осциллограммы
Устройство схемы датчика
Мы спаяли плату датчика
Собрали прототип датчика
Хрипунов Юрий Вадимович
Соруководитель
Щербина Максим Алексеевич
Ассистент
Руководители проекта
Руководитель
Логинов Борис Альбертович
г. Череповец
Шевченко Дарья Сергеевна
Пичугина Александра Вячеславовна
г. Бийск
Серенок Александра Сергеевна
г. Череповец
Участники проекта
г. Кемерово
Батурова Дарья Алексеевна
Акинина Вероника Сергеевна
г. Кемерово
Ульева Ирина Ивановна
г. Тамбов
Наши партнеры
Фотоотчет
