Wenn Materialien extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, besteht die Gefahr, dass sie sich vermischen. Diese Vermischung kann zu hydrodynamischen Instabilitäten führen, die zu unerwünschten Nebenwirkungen führen. Solche Instabilitäten stellen eine große Herausforderung für zahlreiche Disziplinen dar, insbesondere in der Astrophysik, Verbrennung und Hohlladungen – einem Gerät, das verwendet wird, um die Energie eines detonierenden Sprengstoffs zu bündeln und so einen Hochgeschwindigkeitsstrahl zu erzeugen, der tief in Metall, Beton oder andere Ziele eindringen kann Materialien.
Um die Herausforderungen bei der Kontrolle dieser Instabilitäten zu bewältigen, koppeln Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Rechenkapazitäten und Herstellungsmethoden, um schnell Modifikationen an einer Hohlladung zu entwickeln und experimentell zu validieren. Diese Arbeit, veröffentlicht im Zeitschrift für Angewandte Physikist Teil des Projekts DarkStar – einer strategischen Initiative für laborgesteuerte Forschung und Entwicklung, die darauf abzielt, die Verformung von Materialien durch die Untersuchung der wissenschaftlichen Probleme der komplexen Hydrodynamik, Stoßwellenphysik und energetischer Materialien zu kontrollieren.
„Wie ein Hurrikan gelten Stoßwellen und die Detonation von Sprengstoffen typischerweise als ‚unkontrollierbare‘ Ereignisse. Aber wir haben es uns zum Ziel gesetzt, diese komplizierten dynamischen Systeme zu kontrollieren“, sagte Jon Belof, leitender Ermittler bei DarkStar.
Die Inspiration hinter dem Projekt DarkStar wurzelt tief in einer unvollendeten Forschungslinie von Johnny von Neumann – einem wichtigen Mitglied des Manhattan-Projekts und Experten für die nichtlineare Physik der Hydrodynamik und Stoßwellen. Von Neumann hat zum weltweit führenden Ruf des LLNL im Bereich Informatik beigetragen und wird oft als der begabteste Mathematiker seiner Zeit angesehen.
Das Team wandte moderne Technologien auf von Neumanns Computertheorien an und nutzte künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML), um neue, rechnerisch optimierte Designs zu erforschen. Der Einsatz der additiven Fertigung – des 3D-Drucks – ermöglichte es Forschern, selbst die radikalsten KI-entworfenen Komponenten schnell zu realisieren, deren Herstellung mit herkömmlichen Fertigungsmethoden sonst als „unmöglich“ galt.
Um ihre Hohlladungsdesigns zu testen – bestehend aus einer Kupferauskleidung, einem Hochexplosivstoff (HE) und einem Silikonpuffer – führte das Team von 2022 bis 2023 insgesamt 14 HE-Detonationsexperimente in der High Explosives Applications Facility des LLNL durch. Diese Experimente verglichen ein Basisdesign , bei dem kein Puffer zwischen dem Liner und dem HE verwendet wurde, im Vergleich zu einem Design mit einem optimierten Puffer, um die Wirksamkeit des Silikonpuffers als Technik zur Instabilitätsminderung zu demonstrieren.
„Jedes unserer Designs durchlief in weniger als drei Monaten Optimierungs-, Herstellungs- und Detonationstests“, sagte Hauptautor Dylan Kline.
Nach der Detonation wird der Metallliner komprimiert und mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 Kilometern pro Sekunde nach vorne gedrückt, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsstrahl entsteht. Die Instabilität, die mit dieser Forschung abgemildert werden soll, entsteht, wenn der Sprengstoff einen Impuls oder eine „Spitze“ an der Materialgrenzfläche erzeugt, wodurch das Metall (das eine hohe Dichte hat) verformt und in die umgebende Luft (die eine niedrige Dichte hat) beschleunigt wird. In diesem Fall kommt es zu einer Instabilität oder Vermischung von Materialien, wenn sich der Strahl in der Luft bildet.
Kline sagte: „Unser Ziel ist es, das Wachstum dieser Instabilität zu verstärken. Wenn wir unserem Design etwas hinzufügen können, um die Stoßwellen zu formen, können wir die Art und Weise steuern, wie Energie auf die Metallauskleidung übertragen wird.“
Während der Detonationsexperimente aufgenommene Röntgenblitzaufnahmen zeigen die Fähigkeit des Silikonpuffers, potenzielle Instabilitäten zuverlässig und konsistent abzumildern.
Durch ihre Experimente hat das Team mehrere bahnbrechende Entdeckungen in Bezug auf hydrodynamische Instabilitäten gemacht, darunter die Möglichkeit, eine als Richtmyer-Meshkov-Instabilität (RMI) bekannte Instabilität vollständig zu unterdrücken. RMI ist aufgrund seiner unvorhersehbaren Natur und Rolle bei Materialien, die extremer dynamischer Belastung ausgesetzt sind, von besonderem Interesse.
Diese Forschung ist direkt auf die Luft- und Raumfahrttechnik sowie die Energie- und Klimasicherheit anwendbar, da Hohlladungen typischerweise zum Trennen von Flugzeugsystemen oder zum Verschließen von Ölleitungen in Notsituationen verwendet werden. Beispielsweise wäre bei der Ölkatastrophe der Deepwater Horizon im Jahr 2010 normalerweise eine Hohlladung eingesetzt worden, um das Rohr schnell zu schließen. Da der Druck jedoch so hoch war, konnten selbst Sprengstoffe den Ölaustritt nicht verhindern.
„Dies ist nur ein Fall, in dem stärkere Sprengstoffe und effektivere Möglichkeiten, sie zur Manipulation von Metallen einzusetzen, unsere industrielle Ökologie verbessern könnten“, sagte Belof.
Das Projekt DarkStar beleuchtet das Potenzial von KI/ML zur Unterstützung einer Vielzahl nationaler Sicherheitsmissionen.
Mehr Informationen:
Dylan J. Kline et al.: Reduzierung der Strahlgeschwindigkeit der Richtmyer-Meshkov-Instabilität durch inverses Design, Zeitschrift für Angewandte Physik (2024). DOI: 10.1063/5.0180712