Les véhicules se déplaçant à des vitesses hypersoniques sont bombardés de cristaux de glace et de particules de poussière dans l'atmosphère environnante, rendant le matériau de surface vulnérable aux dommages tels que l'érosion et la pulvérisation à chaque petite collision. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont étudié cette interaction molécule à la fois pour comprendre les processus, puis agrandi les données pour les rendre compatibles avec des simulations qui nécessitent une plus grande échelle.

L'étudiant au doctorat Neil Mehta, en collaboration avec la professeure Deborah Levin, a examiné deux matériaux différents couramment utilisés sur les surfaces extérieures des corps minces :un graphène lisse et un quartz plus rugueux. Dans le modèle, ces matériaux ont été attaqués par des agrégats composés d'atomes d'argon et d'atomes de silicium et d'oxygène pour simuler des particules de glace et de poussière frappant les deux matériaux de surface. Ces études de dynamique moléculaire leur ont appris ce qui collait aux surfaces, les dommages causés, et le temps qu'il a fallu pour causer les dommages, le tout à la taille d'un seul angström, qui est essentiellement la longueur d'un atome.

Pourquoi si petit ? Mehta a déclaré qu'il était important de commencer par examiner les « premiers principes » pour bien comprendre les effets érosifs de la glace et de la silice sur les surfaces de graphène et de quartz. Mais ceux qui simulent la dynamique des fluides utilisent des longueurs de plusieurs millimètres micromètres à cm. Il était donc urgent d'étendre la physique des modèles MD. L'enthousiasme suscité par ce travail est qu'il a été le premier à le faire dans cette application.

"Malheureusement, vous ne pouvez pas simplement prendre les résultats de ce très petit niveau d'angström et l'utiliser dans les calculs de véhicules de rentrée d'ingénierie aérospatiale, " a déclaré Mehta. "Vous ne pouvez pas passer directement de la dynamique moléculaire à la dynamique des fluides computationnelle. Il faut encore plusieurs étapes. Appliquer la rigueur des techniques de Monte Carlo cinétique, nous avons pris des détails à cette très petite échelle et analysé les tendances dominantes afin que des techniques de simulation plus larges puissent les utiliser dans des programmes de modélisation qui simulent l'évolution des processus de surface qui se produisent en vol hypersonique, comme l'érosion, pulvérisation, piqûre.

« À quel rythme ces processus se produiront-ils et avec quelle probabilité ces types de dommages se produiront-ils ? " il a dit.

Selon Mehta, le travail est unique car il a incorporé des observations expérimentales d'interactions gaz-surface et des simulations de dynamique moléculaire pour créer une règle de « premiers principes » qui peut être appliquée à toutes ces surfaces.

"Par exemple, la glace a tendance à former des flocons, cristaux de glace. Cela crée un motif fractal parce que la glace aime coller à une autre glace, il est donc plus probable que la vapeur d'eau se condense à côté d'une particule de glace qui est déjà à la surface et crée une caractéristique semblable à un treillis. Alors que le sable ne fait que se disperser. Il n'a aucune préférence. Donc, une règle est que la glace aime coller à d'autres glaces.

"De la même manière, pour la dégradation, la règle sur le graphène est que les dommages sont plus susceptibles de se produire à côté des dommages préexistants, " dit Mehta. " Il y a plusieurs règles, selon le matériau que vous utilisez, que vous pouvez réellement étudier ce qui se passe d'un niveau atomique à un paysage micrométrique, puis utiliser les résultats pour implémenter en dynamique des fluides numérique ou tout autre long, simulation à grande échelle, " dit Mehta.

Une application pour ce travail est la recherche sur la façon de concevoir des systèmes de protection thermique pour les véhicules minces et les petits satellites se trouvant à des altitudes proches de 100 km.

L'étude, "Modélisation multi-échelle de la topologie de surface endommagée dans une frontière hypersonique, " a été écrit par Neil A. Mehta et Deborah A. Levin. Il est publié dans le Journal de physique chimique .