Исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн использовали данные экспериментов в камере низкого давления и крупномасштабных вычислений для разработки модели, позволяющей лучше понять влияние ионной эрозии на углеродные поверхности - первый шаг в прогнозировании ее разрушения.

"Нам нужна точная оценка скорости ионной эрозии графита, чтобы предсказать срок службы двигателя, но испытательные установки сообщают о различной скорости распыления, что приводит к большой неопределенности в прогнозах", - сказал Хай Тран, аспирант кафедры аэрокосмической инженерии UIUC.

Тран сказал, что трудно воспроизвести космическую среду в лабораторной камере, потому что трудно построить достаточно большую камеру, чтобы избежать взаимодействия ионов с поверхностью на стенках камеры. И хотя графит обычно используется для решетки ускорителя и крышек полюсов в двигателе, нет единого мнения о том, какой тип графита наиболее устойчив к эрозии, известной как распыление.

"Фундаментальная проблема при тестировании ионного двигателя в камере заключается в том, что двигатель непрерывно выбрасывает ионы ксенона, которые также сталкиваются со стенками камеры, сделанными из графитовых панелей, но в космосе стенок камеры нет", - сказал Тран. "Когда эти ионы ксенона попадают на графитовые панели, они также распыляют атомы углерода, которые повторно осаждаются на решетках ускорителя. Таким образом, вместо того, чтобы сетка становилась все тоньше и тоньше из-за эрозии двигателя, некоторые люди видели в экспериментах, что сетки становятся толще со временем, потому что углерод возвращается со стенок камеры ".

Моделирование устранило ограничения и неопределенности в экспериментальных данных, и исследователи получили представление о критическом явлении.

"Будь то пиролитический графит на сетчатой ионной оптике, изотропный графит на крышках полюсов, графит poco или анизотропный графит на стенках камеры, наше моделирование молекулярной динамики показывает, что скорости распыления и механизмы идентичны во всех этих различных структурах", - сказал Хак Бенг Чу, советник Tran.

Он сказал, что процесс распыления создает уникальную углеродную структуру во время процесса бомбардировки.

"Когда ионы приходят и повреждают поверхность, они превращают поверхность в аморфную структуру, независимо от исходной структуры углерода", - сказал Чу. "В итоге вы получаете напыленную поверхность с теми же уникальными структурными характеристиками. Это один из основных выводов, которые мы наблюдали в результате нашего моделирования".

Чу сказал, что они даже пробовали это с даймондом. Несмотря на гораздо меньшую начальную пористость и более жесткую конфигурацию соединения, они получили одинаковую напыленную структуру.

"Разработанная нами модель объединяет результаты моделирования молекулярной динамики с экспериментальными данными", - сказал Чу. "Следующее, на что мы хотим обратить внимание, - это эволюция морфологии поверхности с течением времени по мере того, как вы вводите в систему все больше и больше ионов ксенона. Это относится к ионным двигателям для исследования дальнего космоса".

Исследование является частью центра НАСА, известного как Объединенный институт перспективных двигателей, в который входят исследователи из девяти университетов, включая факультеты аэрокосмической инженерии UIUC Чу, Дебби Левин и Джошуа Рови, который возглавляет команду Иллинойса.

Моделирование проводилось с использованием Delta NCSA, суперкомпьютерного центра в Иллинойсе.

Статья "Влияние морфологии поверхности и структуры углерода на распыление: переходные масштабы между моделированием молекулярной динамики и экспериментами" написана Хаем Траном и Хаком Бенг Чу. Она опубликована в журнале Углерод.