Для моделирования столкновений космических аппаратов с космическим мусором и метеоритами нужно ускорять тела малой массы до высоких скоростей.

Титан в сердце Земли

Согласно имеющейся модели Земли, её ядро состоит из железа, давление в ядре 135—360 ГПа (1,3—3,6 млн атм), температура 4000—6000 К. Однако плотность железа при этих температурах и давлениях на 5—10% больше, чем получается по принятой модели. Поэтому считается, что там, внизу, не чистое железо, а с примесями, уменьшающими плотность, например, с кремнием, серой, кислородом, углеродом или водородом. Естественно, хочется узнать, какие именно там примеси.

Внутри Земли возникают явления, которые могут нам в этом поспособствовать. Называются они плюмы. Плюм — это вертикальный поток, который переносит материал из глубин к поверхности. Магма достигает поверхности, изливается на неё и формирует области площадью в миллионы квадратных километров, «магматические провинции». Эти области содержат базальты с повышенным содержанием железа (Fe) и титана (Ti).

Во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров) возник вопрос — а не мог ли именно титан быть той самой лёгкой примесью, которая уменьшает плотность ядра до нужных значений?

При вычислении зависимости плотности от давления и температуры значение массовой доли Ti в смеси Fe + Ti в ядре принималось равным массовой доле Ti в смеси Fe + Ti для наиболее высокотитанистых базальтов (0,18—0,22). Этот подход предполагает, что плюм захватывает компоненты ядра на границе мантии с ядром и переносит без значимого изменения их соотношения к поверхности, где они участвуют в образовании данного типа базальта. Расчёты показали, что полученные значения плотности согласуются с параметрами общепринятой модели ядра Земли. Так что в «Деле о ядре Земли» появился новый подозреваемый. И улики серьёзны.

Медведев А. Б. Определение плотности ядра Земли на основе уравнений состояния железа и титана при высоких давлениях и температурах. Теплофизика высоких температур, 2023, № 6, с. 853.

Долить, досыпать, заморозить

В ряде стран (Россия, Китай, США и др.) приняты государственные программы освоения Арктики, Луны и Марса, а освоение требует строительства. Лёд есть на месте, в Арктике он доступен, возобновляем, безопасен, его легко обрабатывать, но у него низкая прочность. Для её увеличения в воду перед замораживанием добавляют растворы полимеров и суспензии волокон или микрочастиц, например песка. Прочность при этом обычно увеличивается в 2—4 раза. Из такого упрочнённого льда строили купола размером в десятки метров.

Исследователи из Тамбовского государственного университета им. Г. Р. Державина и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова сочли, что механизм действия разных добавок различен и надо ввести одновременно две добавки разных классов, например поливиниловый спирт (до 1,5% по весу) и ультрадисперсный диоксид кремния (размер частиц 10—20 нм, 0,3% по весу). Они изготовили соответствующие суспензии, которые оказались устойчивы в течение более недели. Суспензии замораживали, после чего детально изучали механические характеристики полученного упрочнённого льда. Выяснилось, что для обеих добавок существуют оптимальные концентрации, при этом прочность при одноосном сжатии по отношению к чистому льду увеличивается в 1,7 раза.

По мнению авторов работы, и макромолекулы полимера, и наночастицы тормозят рост зёрен льда за счёт образования прочных водородных связей между молекулами воды и полимера, а также за счёт появления дополнительных центров кристаллизации. А уменьшение размера зёрен льда повышает его прочность. Но оказалось, что использованные добавки действуют не независимо — повышение концентрации одной ослабляет эффект от другой. Оптимизация состава таких пар или большего числа компонентов, вероятно, поможет использовать потенциал многокомпонентного легирования льда в большей степени.

Головин Ю. И., Бузник В. М. и др. Упрочнение льда совместным действием добавки поливинилового спирта и ультрадисперсных наночастиц диоксида кремния. Письма в ЖТФ, 2024, вып. 2, с. 28.

По рельсам, но не поезд

Для моделирования столкновений космических аппаратов с космическим мусором и метеоритами нужно ускорять тела малой массы до высоких скоростей. Рельсотрон — это обычно два параллельных провода, на них лежит, перпендикулярно им, проводящая перемычка, она может скользить по этим проводам, как по рельсам. Разумеется, продолжая их замыкать, — рельсы сверху не изолированы. Если пропустить по этой системе импульс тока (по одному рельсу туда, по другому — обратно), магнитное поле тока в рельсах будет действовать на ток, текущий по перемычке. Возникающая сила Ампера будет направлена вдоль рельсов, и перемычка начнёт по ним скользить, ускоряясь. Однако такая конструкция рельсотрона не всегда удобна.

Стадии ускорения ударника в разделяющемся контейнере: 1 — ускоряемое тело, 2 — контейнер, 3 — медная фольга, 4 — затвор, 5 — плазменный поршень, 6 — рельсы, 7 — течение газа вблизи контейнера, 8 — отсекатель, 9 — мишень. На основе иллюстрации из реферируемой статьи.

Исследователи из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН (г. Новосибирск) сделали рельсотрон в виде канала прямоугольного сечения, в котором две противоположные стенки образованы массивными медными электродами, играющими роль рельсов, а две другие стенки выполнены из стеклотекстолита — прочного диэлектрического материала. Рельсы замкнули медной фольгой, которая при пропускании через неё импульса тока амплитудой 550 кА от конденсаторной батареи 0,04 Ф, заряженной до 5 кВ, испаряется и превращается в плазму. Плазма проводит ток — в данном случае он течёт по ней и по стенкам канала. Фольга становится «плазменным поршнем», который ускоряется до 105 g и гонит перед собой диэлектрический контейнер. Тело, с которым проводят эксперимент, помещено в контейнер, защищающий его от теплового воздействия плазмы. При вылете из канала рельсотрона контейнер может разделяться, освобождая ускоряемое тело, как показано на рисунке. А может и не разделяться, и содержать не компактное тело, а мелкий порошок, вылетающий при торможении контейнера.

Тело массой 1 г удаётся разогнать до почти космической скорости 5 км/с.

Ядренкин М. А., Фомичев В. П., Голышев А. А. Особенности использования рельсотрона в задачах высокоскоростного взаимодействия тел с преградами. Журнал технической физики, 2024, вып. 2, с. 197.

№7, 2024