Engenheiros da Johns Hopkins descobriram novos detalhes sobre como materiais granulares, como areia e rocha, se comportam sob impactos extremos — descobertas que um dia poderão ajudar a proteger a Terra de asteroides perigosos.

Usando novas técnicas experimentais e simulações avançadas de computador, a equipe revelou que esses materiais podem se comportar de maneiras inesperadas quando atingidos em altas velocidades, uma descoberta que desafia os modelos tradicionais. O trabalho deles aparece no Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

"Nosso estudo mostra que diferentes partes de um material, e até mesmo diferentes grãos de areia, podem se comportar de maneiras muito diferentes durante o mesmo evento de impacto", disse o líder da equipe Ryan Hurley , professor associado de engenharia mecânica na Whiting School of Engineering da Johns Hopkins University e membro do Hopkins Extreme Materials Institute (HEMI). "O que descobrimos tem o potencial de informar aplicações que vão desde a deflexão de asteroides até processos industriais como a fabricação de comprimidos."

A equipe disparou projéteis de uma arma de gás a velocidades de até 2 km/s em amostras granulares feitas de alumínio e vidro de cal sodada e observou o comportamento das amostras nos primeiros microssegundos após o impacto. Embora experimentos como esse sejam comumente feitos no local no HEMI no campus de Baltimore da JHU, este em particular ocorreu na Advanced Photon Source (APS) em Chicago porque exigiu o uso de instalações especiais de raios X para visualizar o impacto.

"Se você for à praia, só poderá ver a areia na superfície, mas um raio X pode ver o que está acontecendo por baixo dela", disse Sohanjit Ghosh, um estudante de doutorado em engenharia mecânica e autor principal do artigo. "Combinamos imagens de raio X com modelos numéricos que desenvolvemos, e isso transforma a imagem de raio X bidimensional em um processo tridimensional que nos dá a imagem completa do que está acontecendo, tanto no tempo quanto no espaço."

Os pesquisadores descobriram que, além de outras reações químicas, o calor criado pela compressão intensa faz com que os grãos se quebrem, derretam e se solidifiquem novamente.

A equipe observou que diferentes materiais metálicos exibem maneiras distintas de dissipar energia durante impactos de alta velocidade. Materiais como alumínio absorvem energia pela formação de defeitos e plasticidade, enquanto materiais quebradiços como vidro de cal sodada dissipam energia por fraturamento e fragmentação.

Os pesquisadores dizem que essas descobertas podem informar missões futuras semelhantes à missão DART de 2022 , que atingiu um asteroide, alterando sua trajetória.

"Todos os asteroides têm essa camada de areia, chamada regolito, em cima deles, e quando você os atira, é o regolito que dissipa muita energia do impacto", disse Ghosh. "Podemos inferir da combinação de tais modelos e experimentos como diferentes materiais em diferentes ambientes e condições de impacto se comportarão."

Ghosh disse que, embora o planejamento do experimento tenha durado vários meses, a experiência física real terminou literalmente num piscar de olhos.

"As escalas de tempo dos experimentos são muito curtas — várias centenas de nanossegundos", ele disse. "Nós preparamos um experimento inteiro por um mês e então ele acaba em alguns microssegundos."

Mohmad Thakur, pesquisador assistente do HEMI, também foi membro da equipe de pesquisa.