Voertuigen die met hypersonische snelheden rijden, worden gebombardeerd met ijskristallen en stofdeeltjes in de omringende atmosfeer, het oppervlaktemateriaal kwetsbaar maken voor schade zoals erosie en sputteren bij elke kleine botsing. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign bestudeerden deze interactie molecuul voor molecuul om de processen te begrijpen. vervolgens de gegevens opgeschaald om ze compatibel te maken met simulaties die een grotere schaal vereisen.

Promovendus Neil Mehta die samen met prof. Deborah Levin werkte, keek naar twee verschillende materialen die vaak worden gebruikt op de buitenoppervlakken van slanke lichamen:een glad grafeen en een ruwer kwarts. In het model, deze materialen werden aangevallen door aggregaten bestaande uit argonatomen en silicium- en zuurstofatomen om ijs- en stofdeeltjes te simuleren die de twee oppervlaktematerialen raakten. Deze moleculaire dynamica-studies leerden hen wat aan de oppervlakken kleefde, de aangerichte schade, en de tijd die nodig was om de schade te veroorzaken - allemaal ter grootte van een enkele angström, wat in feite de lengte van een atoom is.

Waarom zo klein? Mehta zei dat het belangrijk is om te beginnen met kijken naar "eerste principes" om de erosieve effecten van ijs en silica op grafeen- en kwartsoppervlakken grondig te begrijpen. Maar degenen die vloeistofdynamica simuleren, gebruiken lengtes van enkele millimeters micrometer tot cm - dus het opschalen van de fysica van de MD-modellen was dringend nodig. De opwinding over dit werk is dat het de eerste was die dit ooit deed in deze toepassing.

"Helaas, je kunt niet zomaar de resultaten van dit zeer kleine angstrom-niveau nemen en het gebruiken in berekeningen van terugkeervoertuigen in de ruimtevaarttechniek, Mehta zei. "Je kunt niet direct van moleculaire dynamica naar computationele vloeistofdynamica springen. Er zijn nog een aantal stappen nodig. De strengheid van kinetische Monte Carlo-technieken toepassen, we namen details op deze zeer kleine schaal en analyseerden de dominante trends, zodat grotere simulatietechnieken ze kunnen gebruiken in modelleringsprogramma's die de evolutie simuleren van oppervlakteprocessen die plaatsvinden in hypersonische vlucht, zoals erosie, sputteren, kuiltjes maken.

"In welk tempo zullen deze processen plaatsvinden en met welke waarschijnlijkheid zullen dit soort schaden plaatsvinden, waren de belangrijkste kenmerken die geen enkele andere Kinetic Monte Carlo of schaaloverbrugging eerder heeft gebruikt, " hij zei.

Volgens Mehta, het werk is uniek omdat het experimentele observaties van gas-oppervlakte-interacties en moleculaire dynamica-simulaties omvatte om een ​​"eerste principes"-regel te creëren die op al deze oppervlakken kan worden toegepast.

"Bijvoorbeeld, ijs heeft de neiging om vlokken te vormen, ijskristallen. Het creëert een fractaal patroon omdat ijs graag aan een ander ijs blijft plakken, dus het is waarschijnlijker dat de waterdamp condenseert naast een ijsdeeltje dat zich al op het oppervlak bevindt en een trellis-achtige functie creëert. Terwijl zand gewoon verspreidt. Het heeft geen voorkeur. Dus een regel is dat ijs graag aan ander ijs blijft plakken.

"Evenzo, voor degradatie, de regel over grafeen is dat de kans groter is dat schade optreedt naast reeds bestaande schade, " zei Mehta. "Er zijn verschillende regels, afhankelijk van het materiaal dat u gebruikt, dat je daadwerkelijk kunt bestuderen wat er gebeurt van atomair niveau tot micrometerlandschap, gebruik vervolgens de resultaten om te implementeren in computationele vloeistofdynamica of een lange, grootschalige simulatie, ' zei Mehta.

Een toepassing voor dit werk is voor onderzoek naar het ontwerpen van thermische beveiligingssystemen voor slanke voertuigen en kleine satellieten die zich op een hoogte van bijna 100 km bevinden.

De studie, "Multischaalmodellering van beschadigde oppervlaktetopologie in een hypersonische grens, is geschreven door Neil A. Mehta en Deborah A. Levin. Het is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .