Interstellare Staub/Materie-Verteilung

Stellen Kollisionen mit interstellarem Staub und anderen kleinen Partikeln eine erhebliche Bedrohung dar, wenn man in einem Raumschiff reist?

Wir haben dazu viele Daten für das Raumschiff Erde. In diesem Brief an die Natur erscheint die folgende Abbildung:

Dargestellt ist die erwartete Anzahl von jährlichen Ereignissen, die eine gegebene Kilotonne TNT-Explosivkraft überschreiten. Beachten Sie, dass der angezeigte Energiebereich 14 Größenordnungen abdeckt.

Nun wird die interstellare Reise in einem Raumschiff anders sein, als auf einem riesigen Felsen um die Sonne zu kreisen. Offensichtlich wird Ihr Raumschiff viel kleiner sein. Dies kann kompensiert werden, indem die Trefferfrequenz mit dem Verhältnis der Raumschiff-Erdoberfläche zurückskaliert wird. Zweitens bewegt sich die Erde innerhalb des Sonnensystems, wo die Trefferfrequenz mit Objekten sicherlich höher ist als im interstellaren Raum. Unabhängig von den genauen Details Ihres Raumschiffs beginnt Ihre Reise jedoch mit einer mehrjährigen Reise durch das Sonnensystem. Aus Sicht der Risikobewertung der Trefferhäufigkeit ist es ratsam, sich auf diesen Teil Ihrer Reise zu konzentrieren. Drittens zieht die Erde gravitativ alle Objekte an, Ihr Raumschiff viel weniger. Dieser Effekt ist nicht signifikant, da die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der kleine Objekte mit der Erde kollidieren, 20,3 km/s beträgt, weit über der Erde.

Abschließend stelle ich fest, dass die Geschwindigkeit, die wir mit unserer derzeitigen Raumfahrttechnologie erreichen, durch Gravitationseffekte (z. B. Gravitationsschleudern) angetrieben wird und daher in der gleichen Größenordnung liegt wie die Geschwindigkeit, mit der die Erde durch das Sonnensystem wandert.

Die Schlussfolgerung aus all dem ist, dass, wenn Ihr Raumschiff ungefähr kugelförmig ist und einen Durchmesser von sagen wir 4 m hat (3.000.000 Mal kleiner als die Erde und damit in Bezug auf die Oberfläche$10^{13}$mal kleiner als die Erde), werden Sie eine Reihe von Objekten beobachten, die Ihr Raumschiff jährlich mit einer Aufprallenergie treffen, die eine bestimmte Kilotonnenzahl übersteigt, d. h. 13 Größenordnungen kleiner als in der Abbildung gezeigt.

Leider zeigt die Abbildung keine Daten kleiner als$10^{-5}$Kilotonnen TNT (10 kg TNT, entsprechend einem 5 cm (2 Zoll) großen Partikel mit Dichte$3 \ g/cm^3$Ihr Raumschiff mit einer Geschwindigkeit von 20 km/s treffen). Eine solche 10-kg-TNT-Explosion würde Ihr Raumschiff sicherlich zerstören. Allerdings ist die Häufigkeit des Auftretens$10^5$pro Jahr um 13 Größenordnungen zurückgefahren, oder$10^{-8}$Ereignisse größer als 10 kg TNT pro Jahr.

Das ist eine Trefferquote, mit der man leben kann.

Wir können unter Verwendung des beobachteten Skalierungsgesetzes (die in der Abbildung gezeigte Steigung von -0,9) auf weniger energiereiche Ereignisse extrapolieren. Sie müssten auf milliardenfach kleinere Ereignisse extrapolieren (Ereignisse, die größer als eine völlig unbedeutende Sprengkraft von 0,01 mg TNT sind), um eine jährliche Trefferhäufigkeit zu erreichen.

Meine Schlussfolgerung ist, dass der Weltraum und sogar unser Sonnensystem ziemlich leer ist. Kollisionen mit kosmischem Staub stellen bei unseren Geschwindigkeiten keine große Gefahr für die Raumfahrt dar.

Meines Wissens liegt der Großteil des Weltraumstaubs im Mikrometerbereich, nicht im Millimeterbereich. Vielleicht möchten Sie sich den Wikipedia-Eintrag über kosmischen Staub ansehen, um Informationen über den Staub und die darin enthaltenen Referenzen zu erhalten.

Hier sind zwei Artikel (beide Preprints auf ArXiV.org), die einige Informationen enthalten:

1. Die Arbeit von Dirkarev et al. aus dem Jahr 2009 The Microwave Thermal Emission by Dust: I. Thermal Emission Spectra

   • Darauf weist dieses Papier hin$mm$-große Körner könnten den CMB beeinflussen, geben aber keine detaillierten Angaben zu den Körnern.

2. Bruce Draines 2009 erschienener Artikel Interstellar Dust Models and Evolutionary Implications

   • Dieses Papier sagt, dass die Extinktion um 1500 Angström auf Körner mit Radien von weniger als 0,02 zurückzuführen ist$\mu$m, während die Extinktion im sichtbaren Spektrum 0,05 beträgt$\mu$m <$a$< 0,3$\mu$m. Die Hauptbestandteile dieser Körner sind C, O, Mg, Si und Fe. Etwa 1,2$M_\odot$Staub wird jedes Jahr in der Galaxie produziert

Wenn dies für Forschungszwecke ist, sollten Sie die Verwendung der SAO/NASA Astronomy Database für Literaturrecherchen in Betracht ziehen.

Die durchschnittliche Dichte des Intersteller-Mediums beträgt 10^6 Atome pro Kubikmeter. Ich habe das direkt aus MM Woolfson, On the Origin of Planets (Imperial College Press, London, 2011) entnommen. Ich habe dieses Lehrbuch als Referenz für eine Abhandlung über Planetenentstehung verwendet, es ist ziemlich gut.

Zum Vergleich (und ein schlampiger Vergleich dazu): Ein Liter Luft enthält ungefähr 10^22 Moleküle.

Laut dem Wikipedia-Artikel "Interstellares Medium" ( Quelle ):

Molekülwolken: 100 bis 1000000 Atome/ml.
CNM: 20 bis 50 Atome/ml.
WNM: 0,2 bis 0,5 Atome/ml.
WIM: 0,2 bis 0,5 Atome/ml.
HII: 100 bis 10000 Atome/ml.
Koronales Gas: 0,0001 bis 0,01 Atome/ml.

Das ist sogar weniger dicht als künstliche Staubsauger.

Tatsächlich sind die höchsten Flüsse, wie man erwarten könnte, bei den kleinsten Größen nahe 1 AE (dh der Erdumlaufbahn). Die Staubflüsse mit Radien ~0,15-0,45$\mu$m (11$\mu$m ~$10^{-11}$kg für Kieselsäure ) liegt zwischen$10^{-6}$-$10^{-5}$ $m^{-2} \ s^{-1}$(gemessen von den Detektoren für elektrische Felder auf den Raumsonden Cassini und Wind ). Die Raumsonde STEREO war in der Lage, kleinere Partikel, so genannten Nanostaub , mit Flüssen bis zu 17-44 zu messen$m^{-2} \ s^{-1}$.

Es wird angenommen, dass interstellarer Staub hauptsächlich mikrometergroß ist, während der von mir erwähnte Nanostaub hauptsächlich interplanetaren Ursprungs sein soll. Der mikrometergroße Staub bewegt sich typischerweise mit ~26 km/s relativ zur Erde, ähnlich wie das neutrale Heliumgas aus dem interstellaren Raum. Der Nanostaub hingegen kann Geschwindigkeiten von über 100 km/s erreichen, da er vom Sonnenwind mitgerissen wird .

Kleine Staubpartikel neigen dazu, bei hohen Geschwindigkeiten ungefähr mit ihrem Radius in Materialien ähnlicher Dichte einzudringen. Wir wissen, dass die Drahtantennen mehrerer Raumfahrzeuge (z. B. Wind und THEMIS ) von Staub zerschnitten wurden, also ja, sie können einige Schäden verursachen. Sie dringen jedoch in den meisten Fällen nicht durch den Bus des Raumfahrzeugs, da Wind seit über 20 Jahren fehlerfrei arbeitet (und das Voyager - Raumschiff seit über 30).

Verweise

• DM Malaspina et al., "Interplanetarer und interstellarer Staub, beobachtet vom elektrischen Feldinstrument Wind/WAVES", Geophys. Auflösung Lette. 41 , S. 266–272, doi:10.1002/2013GL058786, 2014.
• DM Malaspina et al., "Eine Datenbank mit interplanetarem und interstellarem Staub, die vom Wind - Raumschiff entdeckt wurde", J. Geophys. Auflösung 121 , S. 9369–9377, doi:10.1002/2016JA023209, 2016.
• N. Meyer-Vernet et al., „Die Bedeutung von Monopolantennen für Staubbeobachtungen: Warum Wind/WAVES keinen Nanostaub erkennt“, Geophys. Auflösung Lette. 41 , S. 2716–2720, doi:10.1002/2014GL059988, 2014.