Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) liefern ein besseres Verständnis der Auswurfproduktion, die seit mehr als 60 Jahren in der wissenschaftlichen Gemeinschaft von breitem Interesse ist.
Ejekta sind Materialpartikel, die aus einem Bereich herausgedrückt oder ausgestoßen werden. Die Phänomene werden in vielen multidisziplinären Anwendungen beobachtet, darunter Vulkanausbrüche, Asteroideneinschläge auf Planeten, Oberflächenabschirmung von Raumfahrzeugen und Satelliten, technische Anwendungen für Pulversprühen und laserinduzierte Materialabtragung.
Garry Maskaly, Hauptautor eines Artikels, der in der Zeitschrift für Angewandte Physik, sagte, das Forschungsteam habe einen bisher unbekannten Auswurfproduktionsmechanismus namens Shallow Bubble Collapse (SBC) identifiziert, der nicht auf Richtmyer-Meshkov-Instabilitäten (RMI) basiert, wenn Stoßwellen mit zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte interagieren und diese trennen. Früher wurde angenommen, dass RMI-Auswurf die Hauptquelle von stoßgetriebenem Metallauswurf ist, und war Gegenstand jahrzehntelanger Forschung.
Die Arbeit war ein interaktiver Prozess zwischen rechnerischen und experimentellen Bemühungen, der ohne eine lebendige Zusammenarbeit zwischen dem LLNL, dem Los Alamos National Laboratory (LANL) und dem Special Technologies Laboratory (NNSS-STL) der Nevada National Security Site in Santa Barbara, Kalifornien, nicht möglich gewesen wäre .
Das Team verwendete hochauflösende Modellierung verschiedener Schockbedingungen, um Regime zu identifizieren, die sich rechnerisch anders verhielten als die RMI-Theorie. Das Team entwarf und führte Experimente durch, um diese Bedingungen zu bewerten. WSC-Codes und LLNL-HPC-Ressourcen waren für diese Arbeit von entscheidender Bedeutung.
Die Arbeit festigt die enge Zusammenarbeit zwischen LLNL, LANL und NNSS-STL und treibt ein neues Gebiet der Auswurfphysik voran. Eine schockgetriebene Auswurfproduktion von Metalloberflächen tritt häufig bei hochexplosivgetriebenen Experimenten mit metallfreien Oberflächen auf.
„Das Verständnis dieses Phänomens ist wichtig, um das dynamische Verhalten von Metallen in diesen Szenarien genau zu verstehen“, sagte Maskaly. „Metallauswurf kann die Diagnose stören und die Gesamtentwicklung des Systems verändern. Bei Experimenten mit mehreren Schockauswürfen wurden anomale Ergebnisse beobachtet, die nicht mit der Standard-RMI-Theorie vereinbar waren. SBC präsentiert eine neue Phänomenologie der Multischock-Auswurfproduktion.“
Die wichtigsten Highlights dieser Forschung fassten zusammen, wie der SBC-Mechanismus bei einer viel höheren Temperatur (zweimal) wesentlich mehr Auswurf (10-mal) produzieren kann als RMI-Auswurf, der bei ähnlichen Schockstärken erzeugt wird.
„Die Ergebnisse dieser Forschung führen zu neuen Erkenntnissen über physikalische Phänomene auf dem Gebiet der Ejekta-Physik und -Produktion, des Transports und verschiedener Mechanismen von Wechselwirkungen und Kollisionen der SBC-Jets“, sagte Maskaly.
Er erklärte, dass, wenn ein Metall auf einem Schock geschmolzen wird und es eine Freisetzung gibt, die Kavitationsblasen nahe der Oberfläche bildet, ein zweiter Schock diese Kavitationsblasen wieder verdichten kann, wodurch dem zweiten Schock beträchtliche Energie entzogen wird.
„Dadurch wird das Material sehr heiß und explodiert heftig, wobei große Mengen an Material mit hoher Geschwindigkeit vor der Oberfläche versprüht werden“, sagte Maskaly.
Fady Najjar, ein Co-Autor des Papiers, erklärte weiter: „Stellen Sie sich eine Metallprobe vor, die auf ihrer Rückseite von einem sich schnell bewegenden Projektil getroffen wird. Die Vorderseite ist definiert als die freie Oberfläche (Grenzfläche der Probe mit Luft).
„Sobald der Aufprall auftritt, breitet sich ein Schock durch die Probe aus und erreicht die freie Oberfläche“, sagte Najjar. „Das nennt man eine Taylor-Welle. Abhängig von der Stärke des Stoßes und dem Zustand der Probe (geschmolzen oder fest) wird Materie aus dieser freien Oberfläche herausgeschleudert, die Partikel erzeugt, die wir Ejekta nennen.“
Maskaly verglich die Arbeit mit einem üblichen Partytrick, bei dem der Boden einer Flasche gebrochen werden kann, indem man nur mit den Händen auf die offene Mündung der Flasche trifft.
„Bei dieser Arbeit ist die Bildung und der anschließende Zusammenbruch von Kavitationsblasen heftig genug, um den Boden einer Glasflasche mit mäßiger Kraft herauszubrechen“, sagte er. „Beim flachen Blasenkollaps führt die Bildung und der schockgetriebene Kollaps von Kavitationsblasen zu einem heftigen Ereignis, das dazu führt, dass erhebliche Mengen an Metall von der Oberfläche nach vorne gesprüht werden.“
Maskaly sagte, dass SBC ein Regime mehrerer schockgetriebener Auswurfverhaltensweisen erklärt, die zuvor entweder unerklärt oder unerforscht waren. Mit SBC demonstriert das Team, dass genug Schwung ausgestoßen wird, um die Massenhydrodynamik zu beeinflussen.
„Unsere Arbeit an SBC hat auch diagnostische Verbesserungen für Impulsmessungen angeregt, die sich auf zukünftige grundlegende Experimente und unterkritische Experimente auswirken“, sagte Maskaly.
Neben Maskaly und Najjar gehören zu den Co-Autoren Gerald Stevens, Brandon La Lone, Dale Turley und Matt Staska von NNSS STL; und Tom Hartsfield von LANL.
Mehr Informationen:
GR Maskaly et al, Non-Richtmyer-Meshkov-Instabilität Ejektaproduktion basierend auf flachem Blasenkollaps, Zeitschrift für Angewandte Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0132256