Los vehículos que se mueven a velocidades hipersónicas son bombardeados con cristales de hielo y partículas de polvo en la atmósfera circundante. haciendo que el material de la superficie sea vulnerable a daños como la erosión y el chisporroteo con cada pequeña colisión. Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign estudiaron esta interacción una molécula a la vez para comprender los procesos, luego amplió los datos para hacerlos compatibles con las simulaciones que requieren una escala mayor.

El estudiante de doctorado Neil Mehta, que trabaja con la profesora Deborah Levin, analizó dos materiales diferentes que se utilizan comúnmente en las superficies exteriores de cuerpos delgados:un grafeno suave y un cuarzo más áspero. En el modelo, estos materiales fueron atacados por agregados compuestos de átomos de argón y átomos de silicio y oxígeno para simular partículas de hielo y polvo que golpean los dos materiales de la superficie. Estos estudios de dinámica molecular les enseñaron lo que se pegaba a las superficies, el daño hecho, y el tiempo que tardó en causar el daño, todo del tamaño de un solo angstrom, que es básicamente la longitud de un átomo.

¿Por qué tan pequeño? Mehta dijo que es importante comenzar analizando los "primeros principios" para comprender a fondo los efectos erosivos del hielo y la sílice en las superficies de grafeno y cuarzo. Pero los que simulan la dinámica de fluidos utilizan longitudes que van desde varios milimetros de micrómetro a cm, por lo que se necesitaba con urgencia ampliar la escala de la física de los modelos MD. Lo emocionante de este trabajo es que fue el primero en hacerlo en esta aplicación.

"Desafortunadamente, no puede simplemente tomar los resultados de este nivel de angstrom muy pequeño y usarlo en los cálculos de vehículos de reentrada de ingeniería aeroespacial, "Dijo Mehta." No se puede saltar directamente de la dinámica molecular a la dinámica de fluidos computacional. Se necesitan varios pasos más. Aplicando el rigor de las técnicas cinéticas de Monte Carlo, Tomamos detalles a esta escala muy pequeña y analizamos las tendencias dominantes para que las técnicas de simulación más grandes puedan usarlas en programas de modelado que simulan la evolución de los procesos de superficie que ocurren en el vuelo hipersónico. como la erosión, chisporroteo picaduras.

"¿A qué velocidad sucederán estos procesos y con qué probabilidad sucederán estos tipos de daños fueron las características clave que ningún otro Monte Carlo cinético o puentes de escala ha utilizado antes," " él dijo.

Según Mehta, el trabajo es único porque incorporó observaciones experimentales de interacciones gas-superficie y simulaciones de dinámica molecular para crear una regla de "primeros principios" que se puede aplicar a todas estas superficies.

"Por ejemplo, el hielo tiene tendencia a formar escamas, cristales de hielo. Crea un patrón fractal porque al hielo le gusta pegarse a otro hielo, por lo que es más probable que el vapor de agua se condense junto a una partícula de hielo que ya está en la superficie y cree una característica similar a un enrejado. Mientras que la arena simplemente se esparce. No tiene ninguna preferencia. Entonces, una regla es que al hielo le gusta pegarse a otro hielo.

"Similar, por degradación, la regla sobre el grafeno es que es más probable que se produzcan daños junto a daños preexistentes, "Mehta dijo." Hay varias reglas, dependiendo del material que estés usando, que realmente puedes estudiar lo que sucede desde un nivel atómico hasta un paisaje micrométrico, luego use los resultados para implementar en dinámica de fluidos computacional o cualquier simulación a gran escala, "Dijo Mehta.

Una aplicación de este trabajo es la investigación sobre cómo diseñar sistemas de protección térmica para vehículos delgados y pequeños satélites que se encuentran en altitudes cercanas a los 100 km.

El estudio, "Modelado multiescala de topología de superficie dañada en un límite hipersónico, "fue escrito por Neil A. Mehta y Deborah A. Levin. Se publica en el Revista de física química .