Pour relever les défis liés au contrôle de ces instabilités, les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) associent capacités informatiques et méthodes de fabrication pour développer et valider expérimentalement rapidement les modifications apportées à une charge creuse. Ce travail, publié dans le Journal of Applied Physics , fait partie du projet DarkStar, une initiative stratégique de recherche et développement dirigée par un laboratoire visant à contrôler la déformation des matériaux en étudiant les problèmes scientifiques de l'hydrodynamique complexe, de la physique des ondes de choc et des matériaux énergétiques.

"Comme un ouragan, les ondes de choc et la détonation d'explosifs sont généralement considérés comme des événements" incontrôlables ". Mais nous nous sommes donné pour objectif de contrôler ces systèmes dynamiques complexes", a déclaré Jon Belof, enquêteur principal de DarkStar.

L'inspiration derrière le projet DarkStar est profondément enracinée dans une ligne de recherche inachevée de Johnny von Neumann, membre clé du projet Manhattan et expert en physique non linéaire de l'hydrodynamique et des ondes de choc. Ayant contribué à la réputation mondiale du LLNL en matière d'informatique, von Neumann est souvent considéré comme le mathématicien le plus doué de son époque.

En appliquant les technologies modernes aux théories informatiques de von Neumann, l'équipe a utilisé l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML) pour explorer de nouvelles conceptions optimisées sur le plan informatique. L'utilisation de la fabrication additive (l'impression 3D) a permis aux chercheurs de réaliser rapidement même les composants les plus radicaux conçus par l'IA qui seraient autrement considérés comme « impossibles » à créer à l'aide des méthodes de fabrication traditionnelles.

Pour tester leurs conceptions de charges creuses, comprenant un revêtement en cuivre, un explosif puissant (HE) et un tampon en silicone, l'équipe a mené un total de 14 expériences de détonation HE au centre d'applications d'explosifs puissants du LLNL de 2022 à 2023. Ces expériences ont comparé une conception de base. , qui n'utilisait pas de tampon entre le revêtement et l'HE, par rapport à une conception avec un tampon optimisé pour démontrer l'efficacité du tampon en silicone comme technique d'atténuation de l'instabilité.

"Chacune de nos conceptions a subi des tests d'optimisation, de fabrication et de détonation en moins de trois mois", a déclaré l'auteur principal Dylan Kline.

Une fois détoné, le revêtement métallique est comprimé et poussé vers l'avant à environ 5 kilomètres par seconde, formant un jet à grande vitesse. L'instabilité que cette recherche vise à atténuer se produit lorsque l'explosif crée une impulsion ou une « pointe » à l'interface des matériaux, déformant et accélérant le métal (qui a une densité élevée) dans l'air qui l'entoure (qui a une faible densité). Dans ce cas, l'instabilité ou le mélange des matériaux se produit lorsque le jet se forme dans l'air.

Kline a déclaré :"Notre objectif est d'augmenter la façon dont cette instabilité se développe. Si nous pouvons ajouter quelque chose dans notre conception pour façonner les ondes de choc, nous pouvons alors contrôler la manière dont l'énergie est transmise au revêtement métallique."

Des radiographies flash aux rayons X prises lors des expériences de détonation révèlent la capacité du tampon en silicone à atténuer les instabilités potentielles de manière fiable et cohérente.

Grâce à leur série d'expériences, l'équipe a découvert plusieurs découvertes révolutionnaires concernant les instabilités hydrodynamiques, notamment comment supprimer complètement une instabilité connue sous le nom d'instabilité de Richtmyer-Meshkov (RMI). Le RMI présente un intérêt particulier en raison de sa nature imprévisible et de son rôle dans les matériaux soumis à des charges dynamiques extrêmes.

Ces recherches sont directement applicables à l’ingénierie aérospatiale et à la sécurité énergétique et climatique, car les charges creuses sont généralement utilisées pour séparer les systèmes des avions ou pour fermer les conduites de pétrole dans des situations d’urgence. Par exemple, lors de la marée noire de Deepwater Horizon en 2010, une charge creuse aurait normalement été utilisée pour fermer rapidement le tuyau. Cependant, en raison de la forte pression, même les explosifs se sont révélés inefficaces pour arrêter le déversement.

"Ce n'est qu'un exemple parmi d'autres où disposer d'explosifs plus puissants et de moyens plus efficaces de les utiliser pour manipuler le métal pourrait améliorer notre écologie industrielle", a déclaré Belof.

Le projet DarkStar met en lumière le potentiel de l'IA/ML pour soutenir un large éventail de missions de sécurité nationale.