El vuelo hipersónico se conoce convencionalmente como la capacidad de volar a velocidades significativamente más rápidas que la velocidad del sonido y presenta un conjunto extraordinario de desafíos técnicos. Como ejemplo, cuando una cápsula espacial vuelve a entrar en la atmósfera de la Tierra, alcanza velocidades hipersónicas (más de cinco veces la velocidad del sonido) y genera temperaturas superiores a 4, 000 grados Fahrenheit en su superficie exterior. Diseñar un sistema de protección térmica para mantener seguros a los astronautas y la carga requiere una comprensión a nivel molecular de la complicada física que ocurre en el gas que fluye alrededor del vehículo.

Una investigación reciente en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign agregó nuevos conocimientos sobre los fenómenos físicos que ocurren cuando los átomos vibran, girar, y chocar en este entorno extremo.

"Debido a la velocidad relativa del flujo que rodea al vehículo, se forma un choque delante de la cápsula. Cuando las moléculas de gas atraviesan el choque, algunas de sus propiedades cambian casi instantáneamente. En lugar de, otros no tienen tiempo suficiente para adaptarse a los cambios abruptos, y no alcanzan sus valores de equilibrio antes de llegar a la superficie del vehículo. La capa entre el escudo de choque y el calor se encuentra entonces en desequilibrio. Hay muchas cosas que aún no entendemos sobre las reacciones que ocurren en este tipo de flujo, ", dijo Simone Venturi. Es un estudiante de posgrado que estudia con Marco Panesi en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la UIUC.

Venturi explicó que no pueden describir el flujo de la misma manera que un flujo compresible en aerodinámica de baja velocidad, que analiza las propiedades de volumen del flujo. Los flujos hipersónicos se estudian a nivel microscópico para comprender cómo interactúan las moléculas y los átomos y, por último, cómo modelar estas interacciones.

"El problema se complica aún más por la cantidad de fenómenos que ocurren simultáneamente; el desequilibrio es solo uno de ellos, "Venturi dijo." Radiación, por ejemplo, es una consecuencia de los estados electrónicos excitados. Al mismo tiempo, el flujo interactúa con los gases resultantes de la ablación de la superficie de la cápsula ".

La investigación analizó el desequilibrio desde la perspectiva de la vibración y la rotación de las moléculas en el flujo alrededor del vehículo. o vibraciones, una palabra comúnmente utilizada en el estudio de la hipersónica y la física cuántica.

"La entrada a nuestras simulaciones proviene de los primeros principios de la física cuántica. Consideramos los átomos en un conjunto de distancias relativas, y calculamos las energías de interacción resultantes resolviendo la ecuación de Schrödinger, ", Dijo Venturi." La solución viene sólo en un conjunto discreto de puntos. El aprendizaje automático nos ayuda a ajustar y producir una superficie continua, lo que llamamos la superficie de energía potencial ".

En los años pasados, Los investigadores comenzaron a buscar redes neuronales para generar superficies entre estos puntos.

"Agregamos un mayor nivel de complejidad al extender las redes neuronales a través del aprendizaje automático probabilístico, ", Dijo Venturi." Esto no solo nos permite describir las interacciones atómicas con mayor precisión, pero también cuantifica la incertidumbre que afecta a estos objetos. Creamos una distribución de superficies, en lugar de una sola superficie, porque la predicción que surge de estos modelos no es solo un valor único, sino una distribución de valores. Entonces, es una predicción con incertidumbre en torno al valor. El resultado no es una respuesta exacta, sino una distribución de respuestas ".

Venturi dijo que después de representar la energía de interacción entre moléculas y átomos, simularon miles de millones de colisiones.

"Sabemos lo que sucede en un pequeño conjunto de puntos espaciales, y luego usamos la ecuación de la mecánica clásica. Las ecuaciones son las mismas que rigen la colisión de bolas de billar. La diferencia es que usamos estas interacciones, estas interacciones cuánticas, como fuerzas impulsoras. Esta complicación es requerida por la escala atómica del problema, ya que las partículas pueden sentirse entre sí incluso cuando están distantes. Con una gran cantidad de colisiones, podemos obtener la probabilidad de que ocurran ciertas reacciones. Usamos estas probabilidades de reacción en dinámica de fluidos computacional con el objetivo final de predecir los flujos y diseñar escudos térmicos más seguros. " él dijo.

Aunque no fueron los primeros en utilizar el aprendizaje automático para construir superficies de energía potenciales, Venturi dijo, "Fuimos los primeros en obtener incertidumbres sobre estas cantidades. Es una forma de validar la precisión del aprendizaje automático aplicado a la construcción de estos potenciales".

En el segundo proyecto de investigación, Venturi dijo que ahora saben más sobre la dinámica de disociación en los flujos hipersónicos, es decir, cómo las moléculas rompen sus enlaces y se convierten en dos átomos separados como consecuencia de fuertes colisiones.

"Las temperaturas extremas de los regímenes hipersónicos generan una física muy peculiar, ", Dijo Venturi." Hacen imposible distinguir entre vibraciones y rotaciones de las moléculas. No puede dividirlos porque están muy acoplados. Encontramos que este efecto tiene importantes consecuencias de los mecanismos de disociación.

"Es interesante, no solo desde una perspectiva química, pero también desde el punto de vista de la ingeniería. Las reacciones químicas que tienen lugar después de que las moléculas de gas y los átomos chocan liberan energía en el flujo o le restan energía, Venturi dijo. si queremos cuantificar el flujo de calor que incide en el escudo térmico, necesitamos predecir cuánta energía se almacena en el flujo alrededor del vehículo. La disociación de las moléculas en la atmósfera no es algo que observemos comúnmente a temperatura ambiente. Empieza a ser relevante solo a temperaturas superiores a 4, 500 grados Fahrenheit para oxígeno y 7, 000 grados Fahrenheit para nitrógeno. Es un fenómeno interesante y ahora entendemos más al respecto ".

Los dos artículos fueron reconocidos con portadas de The Revista de química física . Simone Venturi, estudiante de doctorado con Marco Panesi en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y CHESS, aprovecha el aprendizaje automático y la ciencia de datos para estudiar química en entornos hipersónicos.