Honderden miljoenen stukjes ruimteafval cirkelen dagelijks rond de aarde, van chips van oude raketverf, tot scherven van zonnepanelen, en hele dode satellieten. Deze wolk van hightech afval wervelt rond de planeet rond 17, 500 mijl per uur. Bij deze snelheden zelfs afval zo klein als een kiezelsteen kan een passerend ruimtevaartuig torpederen.

NASA en het Amerikaanse ministerie van Defensie gebruiken telescopen op de grond en laserradars (ladars) om meer dan 17, 000 orbitale puinobjecten om botsingen met operationele missies te voorkomen. Dergelijke ladars schijnen krachtige lasers op doelobjecten, het meten van de tijd die nodig is voor de laserpuls om terug te keren naar de aarde, om puin in de lucht te lokaliseren.

Nu hebben lucht- en ruimtevaartingenieurs van MIT een laserdetectietechniek ontwikkeld die niet alleen kan ontcijferen waar, maar ook wat voor soort ruimteafval er kan passeren. Bijvoorbeeld, de techniek, laserpolarimetrie genoemd, kan worden gebruikt om te onderscheiden of een stuk puin blank metaal is of bedekt is met verf. Het verschil, zeggen de ingenieurs, kan helpen bij het bepalen van de massa van een object, momentum, en potentieel voor vernietiging.

"In de ruimte, dingen hebben de neiging om na verloop van tijd kapot te gaan, en er zijn de afgelopen 10 jaar twee grote botsingen geweest die aanzienlijke pieken in puin hebben veroorzaakt, " zegt Michael Pasqual, een voormalige afgestudeerde student in MIT's Department of Aeronautics and Astronautics. "Als je kunt achterhalen waar een stuk puin van is gemaakt, je kunt weten hoe zwaar het is en hoe snel het in de loop van de tijd uit zijn baan kan raken of iets anders kan raken."

Kerri Cahoy, de Rockwell International Career Development Associate Professor van luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT, zegt dat de techniek gemakkelijk kan worden geïmplementeerd op bestaande grondsystemen die momenteel orbitaal puin bewaken.

"[Overheidsinstanties] willen weten waar deze brokken puin zijn, zodat ze het internationale ruimtestation kunnen bellen en zeggen:'Grote brok puin komt je kant op, vuur je stuwraketten af ​​en beweeg jezelf omhoog zodat je vrij bent, ', zegt Cahoy. 'Mike bedacht een manier waarop, met een paar aanpassingen aan de optiek, ze zouden dezelfde tools kunnen gebruiken om meer informatie te krijgen over waar deze materialen van gemaakt zijn."

Pasqual en Cahoy hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift IEEE-transacties op ruimtevaart- en elektronische systemen .

Een handtekening zien

De techniek van het team gebruikt een laser om het effect van een materiaal op de polarisatietoestand van licht te meten, die verwijst naar de oriëntatie van het oscillerende elektrische veld van het licht dat weerkaatst op het materiaal. Bijvoorbeeld, wanneer de zonnestralen weerkaatsen op een rubberen bal, het elektrische veld van het binnenkomende licht kan verticaal oscilleren. Maar bepaalde eigenschappen van het oppervlak van de bal, zoals zijn ruwheid, kan ervoor zorgen dat het in plaats daarvan reflecteert met een horizontale oscillatie, of in een geheel andere richting. Hetzelfde materiaal kan meerdere polarisatie-effecten hebben, afhankelijk van de hoek waaronder het licht erop valt.

Pasqual redeneerde dat een materiaal zoals verf een andere polarisatie "signatuur, " reflecterend laserlicht in patronen die verschillen van de patronen van, zeggen, blank aluminium. Polarisatiesignaturen kunnen daarom voor wetenschappers een betrouwbare manier zijn om de samenstelling van orbitaal puin in de ruimte te identificeren.

Om deze theorie te testen, hij zette een benchtop-polarimeter op - een apparaat dat meet, onder veel verschillende hoeken, de polarisatie van laserlicht als het weerkaatst op een materiaal. Het team gebruikte een krachtige laserstraal met een golflengte van 1, 064 nanometer, vergelijkbaar met de lasers die worden gebruikt in bestaande grondladars om orbitaal puin te volgen. De laser was horizontaal gepolariseerd, wat betekent dat het licht oscilleerde langs een horizontaal vlak. Pasqual gebruikte vervolgens polarisatiefilteroptieken en siliciumdetectoren om de polarisatietoestanden van het gereflecteerde licht te meten.

Door ruimteafval ziften

Bij het kiezen van materialen om te analyseren, Pasqual koos er zes uit die veel worden gebruikt in satellieten:witte en zwarte verf, aluminium, titanium, en Kapton en Teflon - twee filmachtige materialen die worden gebruikt om satellieten af ​​te schermen.

"We dachten dat ze erg representatief waren voor wat je zou kunnen vinden in ruimtepuin, ' zegt Pasqual.

Hij plaatste elk monster in het experimentele apparaat, die gemotoriseerd was, zodat metingen onder verschillende hoeken en geometrieën konden worden gedaan, en de polarisatie-effecten ervan gemeten. Naast het reflecteren van licht met dezelfde polarisatie als het invallende licht, materialen kunnen ook andere, vreemder polarisatiegedrag, zoals het licht roteren van de oscillatie van het licht - een fenomeen dat vertraging wordt genoemd. Pasqual identificeerde 16 hoofdpolarisatietoestanden, nam vervolgens nota van welke effecten een bepaald materiaal vertoonde terwijl het laserlicht weerkaatste.

"Teflon had een zeer unieke eigenschap waarbij wanneer je laserlicht schijnt met een verticale oscillatie, het spuugt een tussenhoek van licht terug, " zegt Pasqual. "En sommige verven hadden depolarisatie, waar het materiaal gelijke combinaties van verticale en horizontale toestanden zal uitspugen."

Elk materiaal had een voldoende unieke polarisatiesignatuur om het te onderscheiden van de andere vijf monsters. Pasqual gelooft dat andere ruimtevaartmaterialen, zoals diverse afschermingsfilms, of composietmaterialen voor antennes, zonnepanelen, en printplaten, kunnen ook unieke polarisatie-effecten vertonen. Zijn hoop is dat wetenschappers laserpolarimetrie kunnen gebruiken om een ​​bibliotheek van materialen met unieke polarisatiesignaturen op te zetten. Door bepaalde filters toe te voegen aan lasers op bestaande grondladars, wetenschappers kunnen de polarisatietoestanden van passerend puin meten en deze koppelen aan een bibliotheek met handtekeningen om de samenstelling van het object te bepalen.

"Er zijn al veel faciliteiten op de grond om puin te volgen zoals het is, " zegt Pasqual. "Het punt van deze techniek is, terwijl je dat doet, je kunt net zo goed wat filters op je detectoren plaatsen die polarisatieveranderingen detecteren, en het zijn die polarisatiekenmerken die je kunnen helpen af ​​te leiden waar het materiaal van is gemaakt. En u kunt meer informatie krijgen, in principe gratis."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.