Hundratals miljoner bitar av rymdskrot kretsar runt jorden dagligen, från chips av gammal raketfärg, till skärvor av solpaneler, och hela döda satelliter. Detta moln av högteknologisk detritus virvlar runt planeten vid cirka 17, 500 miles i timmen. Vid dessa hastigheter, även papperskorgen så liten som en sten kan torpedera en rymdfarkost som passerar.

NASA och det amerikanska försvarsdepartementet använder markbaserade teleskop och laserradar (ladars) för att spåra mer än 17, 000 orbitalrester för att förhindra kollisioner med driftuppdrag. Sådana ladars lyser kraftfulla lasrar vid målobjekt, mäter den tid det tar för laserpulsen att återvända till jorden, för att identifiera skräp på himlen.

Nu har rymdingenjörer från MIT utvecklat en laseravkänningsteknik som inte bara kan dechiffrera var utan vilken typ av rymdskräp som kan passera över huvudet. Till exempel, tekniken, kallas laserpolarimetri, kan användas för att urskilja om ett skräp är ren metall eller täckt med färg. Skillnaden, ingenjörerna säger, kan hjälpa till att bestämma ett objekts massa, Momentum, och potential för förstörelse.

"I rymden, saker tenderar bara att gå sönder med tiden, och det har varit två stora kollisioner under de senaste tio åren som har orsakat ganska stora spikar i skräp, "säger Michael Pasqual, en tidigare doktorand vid MIT:s avdelning för luftfart och astronautik. "Om du kan ta reda på vad en skräp är gjord av, du kan veta hur tung den är och hur snabbt den kan deorbitera över tid eller träffa något annat. "

Kerri Cahoy, Rockwell International Career Development Associate Professor i luftfart och astronautik vid MIT, säger att tekniken enkelt kan implementeras på befintliga markbaserade system som för närvarande övervakar orbitalrester.

"[Statliga myndigheter] vill veta var dessa bitar av skräp är, så att de kan ringa till den internationella rymdstationen och säga, 'En stor bit skräp kommer din väg, skjut dina propeller och flytta dig upp så att du är tydlig, '"Säger Cahoy." Mike kom på ett sätt där, med några ändringar av optiken, de kan använda samma verktyg för att få mer information om vad dessa material är gjorda av. "

Pasqual och Cahoy har publicerat sina resultat i tidningen IEEE -transaktioner på flyg- och elektroniksystem .

Ser en signatur

Teamets teknik använder en laser för att mäta ett materials effekt på ljusets polariseringstillstånd, som hänvisar till orienteringen av ljusets oscillerande elektriska fält som reflekterar från materialet. Till exempel, när solens strålar reflekterar från en gummiboll, det inkommande ljusets elektriska fält kan svänga vertikalt. Men vissa egenskaper hos bollens yta, som dess grovhet, kan få det att reflektera med en horisontell svängning istället, eller i en helt annan inriktning. Samma material kan ha flera polariseringseffekter, beroende på vinkeln vid vilket ljuset träffar det.

Pasqual resonerade att ett material som färg kan ha en annan polarisations "signatur, "reflekterande laserljus i mönster som skiljer sig från mönstren, säga, bar aluminium. Polarisationssignaturer kan därför vara ett pålitligt sätt för forskare att identifiera sammansättningen av orbitalrester i rymden.

För att testa denna teori, han satte upp en bänkpolimeter - en apparat som mäter, i många olika vinklar, polariseringen av laserljus då det reflekterar från ett material. Teamet använde en kraftfull laserstråle med en våglängd på 1, 064 nanometer, liknande lasrarna som används i befintliga markbaserade ladar för att spåra orbitalrester. Lasern var horisontellt polariserad, vilket betyder att dess ljus oscillerade längs ett horisontellt plan. Pasqual använde sedan polarisationsfiltreringsoptik och kiseldetektorer för att mäta polariseringstillstånden för det reflekterade ljuset.

Siktar genom rymdskräp

När du väljer material att analysera, Pasqual valde sex som vanligtvis används i satelliter:vit och svart färg, aluminium, titan, och Kapton och Teflon - två filmliknande material som används för att skydda satelliter.

"Vi tyckte att de var mycket representativa för vad du kan hitta i rymdskräp, "Säger Pasqual.

Han placerade varje prov i experimentapparaten, som var motoriserad så att mätningar kunde göras i olika vinklar och geometrier, och mätte dess polariseringseffekter. Förutom att reflektera ljus med samma polarisering som infallande ljus, material kan också visa andra, främmande polarisationsbeteenden, som att rotera ljusets svängning något - ett fenomen som kallas retardans. Pasqual identifierade 16 huvudpolarisationstillstånd, noterade sedan vilka effekter ett visst material uppvisade när det reflekterade laserljus.

"Teflon hade en mycket unik egenskap där när du lyser laserljus med en vertikal svängning, det spottar tillbaka lite mellan ljusvinkeln, "Pasqual säger." Och några av färgerna hade depolarisering, där materialet kommer att spotta ut lika kombinationer av vertikala och horisontella tillstånd. "

Varje material hade en tillräckligt unik polarisationssignatur för att skilja det från de andra fem proverna. Pasqual tror att andra flyg- och rymdmaterial, såsom olika skärmfilmer, eller kompositmaterial för antenner, solceller, och kretskort, kan också uppvisa unika polariseringseffekter. Hans förhoppning är att forskare kan använda laserpolarimetri för att upprätta ett bibliotek med material med unika polarisationssignaturer. Genom att lägga till vissa filter till lasrar på befintliga markbaserade ladars, forskare kan mäta polarisationstillstånden för att passera skräp och matcha dem till ett bibliotek med signaturer för att bestämma objektets sammansättning.

"Det finns redan många faciliteter på marken för att spåra skräp som det är, "Pasqual säger." Poängen med denna teknik är, medan du gör det, du kan lika gärna sätta några filter på dina detektorer som upptäcker polariseringsförändringar, och det är de polarisationsfunktioner som kan hjälpa dig att utläsa vad materialet är tillverkat av. Och du kan få mer information, i princip gratis. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.