Quando i veicoli spaziali e i satelliti viaggiano nello spazio, incontrano minuscoli, particelle in rapido movimento di polvere spaziale e detriti. Se la particella viaggia abbastanza veloce, il suo impatto sembra creare radiazioni elettromagnetiche (sotto forma di onde radio) che possono danneggiare o addirittura disabilitare i sistemi elettronici del velivolo.

Un nuovo studio pubblicato questa settimana sulla rivista Fisica dei Plasmi , utilizza simulazioni al computer per dimostrare che la nuvola di plasma generata dall'impatto della particella è responsabile della creazione del dannoso impulso elettromagnetico. Mostrano che quando il plasma si espande nel vuoto circostante, gli ioni e gli elettroni viaggiano a velocità diverse e si separano in modo da creare emissioni a radiofrequenza.

"Negli ultimi decenni i ricercatori hanno studiato questi impatti iperveloci e abbiamo notato che ci sono radiazioni dagli impatti quando le particelle stanno andando sufficientemente veloci, " ha detto l'autore principale Alex Fletcher, ora ricercatore post-dottorato presso il Boston University Center for Space Physics. "Nessuno è stato davvero in grado di spiegare perché è lì, da dove viene o il meccanismo fisico dietro di esso."

Lo studio è un passo verso la verifica della teoria dell'autore senior Sigrid Close, professore associato di aeronautica e astronautica alla Stanford University. Nel 2010, Close e colleghi hanno pubblicato l'ipotesi iniziale che i plasmi da impatto con ipervelocità siano responsabili di alcuni guasti dei satelliti.

Per simulare i risultati di un plasma da impatto con ipervelocità, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato simulazione particellare nella cellula che consente loro di modellare il plasma e i campi elettromagnetici contemporaneamente. Hanno alimentato i dettagli della simulazione da un idrocodice sviluppato in precedenza, uno strumento di calcolo utilizzato per modellare la dinamica dei fluidi e dei solidi dell'impatto. I ricercatori hanno lasciato evolvere la simulazione e hanno calcolato la radiazione prodotta dal plasma.

Quando una particella colpisce una superficie dura ad alta velocità, vaporizza e ionizza il bersaglio, liberando una nuvola di polvere, gas e plasma. Quando il plasma si espande nel vuoto circostante (dello spazio), la sua densità diminuisce ed entra in uno stato senza collisioni in cui le sue particelle non interagiscono più direttamente tra loro.

Nello studio attuale, i ricercatori ipotizzano che gli elettroni in questo plasma senza collisioni viaggino più velocemente degli ioni più grandi. La loro simulazione prevede che questa separazione di carica su larga scala generi la radiazione. I risultati del modello sono coerenti con la teoria iniziale di Close, ma prevedono una frequenza più elevata per l'emissione rispetto a quella che i ricercatori hanno rilevato sperimentalmente.

Gli autori sottolineano che l'ipotesi che gli elettroni si muovano in massa mentre si separano dagli ioni merita un'attenzione più attenta. Il gruppo sta costruendo nuove simulazioni per verificare se il passaggio a uno stato senza collisioni è sufficiente per creare la separazione.

Fletcher nota anche che hanno trascurato di spiegare la polvere.

"L'impatto crea particelle di polvere che interagiscono con il plasma, Fletcher ha detto. Le dinamiche di questi "plasmi polverosi" sono un'area per la ricerca futura.

Il prossimo passo nel lavoro è usare la simulazione per quantificare la radiazione generata in modo che possano valutare la minaccia per i satelliti, e escogitare modi per proteggere i satelliti e i veicoli spaziali da meteoroidi e detriti orbitali.

"Più della metà dei guasti elettrici è inspiegabile perché è molto difficile eseguire la diagnostica su un satellite che si guasta in orbita, " Fletcher ha detto. "Crediamo di poter attribuire alcuni di questi fallimenti a questo meccanismo".