Ученые проверили, можно ли сбивать космический мусор из электронных пушек

Космический мусор все больше становится проблемой, требующей срочного решения. Ученые всего мира исследуют различные способы борьбы с ним.

Одна из перспективных технологий активного удаления космического мусора (Active Debris Removal, ADR) — абляционное движение. Проще говоря, на объект воздействуют, к примеру, лазером, вещество с его поверхности испаряется, порождая реактивную тягу, и, получив ускорение, камень или обломок улетает в плотные слои атмосферы, где благополучно сгорает.

Одной из потенциальных альтернатив лазерного ADR может стать абляционное движение под действием пучка электронов. Во всяком случае, в промышленности это воздействие широко применяется и демонстрирует неплохие результаты. Однако не вполне понятно, что будет с пучками электронов при распространении на большие расстояния (от 10 метров до 100 километров) через ионосферную плазму.

В Осакском столичном университете провели предварительное изучение связанных с этим сложностей — расходимости и неустойчивостей электронного пучка в ионосферной среде — и количественно оценили их с помощью численного моделирования. Результаты можно увидеть на страницах Journal of Thermophysics and Heat Transfer.

Основные явления — расходимость и неустойчивость — зависели от плотности как самого пучка, так и окружающей атмосферы. Плотность электронного пучка задавалась близкой к плотности ионосферной плазмы в диапазоне от 10¹⁰ до 10¹² м⁻³. Скорость пучка варьировалась от 10⁶ до 10⁸ м/с, что соответствует нерелятивистскому режиму.

Результаты показали, что нерелятивистские электронные пучки плотностью от 10¹⁰ до 10¹² м⁻³, испускаемые в ионосферную плазму аналогичной плотности, претерпевают переход от ламинарного режима к турбулентному, что обусловлено, по всей видимости, двухпотоковой неустойчивостью между электронами пучка и ионами плазмы, поскольку длина перехода хорошо описывается соответствующей теоретической формулой.

В ламинарной области боковое рассеяние электронного пучка в плазме подавляется. Впервые количественно определен коэффициент сжатия пучка. Из расчетов следует, что до определенных расстояний пучок сам фокусируется, что повышает его эффективность в роли оружия против мусора.

В целом ADR пучком электронов — дело далеко не ближайшего будущего, и при проектировании таких систем необходимо учитывать возникновение турбулентности из-за плазменных неустойчивостей. Однако с точки зрения энергозатрат технология превосходит сброс мусора лазером, заключается в исследовании.