Elektrische Weltraumantriebssysteme verwenden energetisierte Atome, um Schub zu erzeugen. Die Hochgeschwindigkeitsstrahlen von Ionen prallen gegen die Graphitoberflächen des Triebwerks, erodieren sie mit jedem Schlag ein wenig mehr und sind der Hauptfaktor, der die Lebensdauer des Systems begrenzt. Wenn Ionentriebwerke in einer geschlossenen Kammer geschliffen getestet werden, können sich auch die abprallenden Kohlenstoffpartikel von den Graphitkammerwänden wieder auf den Triebwerksoberflächen ablagern. Dies verändert die gemessenen Leistungsmerkmale des Triebwerks.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign verwendeten Daten aus Niederdruckkammerexperimenten und groß angelegten Berechnungen, um ein Modell zu entwickeln, um die Auswirkungen der Ionenerosion auf Kohlenstoffoberflächen besser zu verstehen – der erste Schritt zur Vorhersage seines Versagens.
„Wir brauchen eine genaue Bewertung der Ionenerosionsrate auf Graphit, um die Lebensdauer des Triebwerks vorherzusagen, aber Testeinrichtungen haben unterschiedliche Sputterraten gemeldet, was zu großen Unsicherheiten bei den Vorhersagen führt“, sagte Huy Tran, ein Ph.D. Student in der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik an der UIUC.
Tran sagte, es sei schwierig, die Weltraumumgebung in einer Laborkammer nachzubilden, da es schwierig sei, eine ausreichend große Kammer zu konstruieren, um Wechselwirkungen zwischen Ionen und Oberflächen an den Kammerwänden zu vermeiden. Und obwohl Graphit normalerweise für das Beschleunigergitter und die Polabdeckungen im Triebwerk verwendet wird, besteht Uneinigkeit darüber, welche Art von Graphit am widerstandsfähigsten gegen Erosion ist, die als Sputtern bezeichnet wird.
„Das grundlegende Problem beim Testen eines Ionentriebwerks in einer Kammer besteht darin, dass das Triebwerk kontinuierlich Xenon-Ionen ausspuckt, die auch auf die Kammerwände aus Graphitplatten aufprallen, aber es gibt keine Kammerwände im Weltraum“, sagte Tran.
„Wenn diese Xenon-Ionen auf die Graphitplatten treffen, spucken sie auch Kohlenstoffatome aus, die sich wieder auf den Beschleunigergittern ablagern. Anstatt dass das Gitter aufgrund der Triebwerkerosion immer dünner wird, haben einige Leute in Experimenten gesehen, dass die Gitter mit der Zeit dicker werden weil der Kohlenstoff von den Kammerwänden zurückkommt.“
Die Simulation löste die Einschränkungen und Unsicherheiten in den experimentellen Daten und die Forscher gewannen Einblick in ein kritisches Phänomen.
„Ob pyrolytisches Graphit auf der gitterförmigen Ionenoptik, isotropes Graphit auf den Polabdeckungen oder Poco-Graphit oder anisotropes Graphit auf den Kammerwänden, unsere Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass die Sputterraten und -mechanismen über all diese verschiedenen referenzierten Strukturen hinweg identisch sind. “, sagte Huck Beng Chew, Trans Berater.
Er sagte, dass der Sputterprozess während des Bombardierungsprozesses eine einzigartige Kohlenstoffstruktur erzeugt.
„Wenn die Ionen kommen und die Oberfläche beschädigen, verwandeln sie die Oberfläche in eine amorphe Struktur, unabhängig von der ursprünglichen Kohlenstoffstruktur“, sagte Chew. „Am Ende erhält man eine gesputterte Oberfläche mit den gleichen einzigartigen strukturellen Eigenschaften. Dies ist eines der wichtigsten Ergebnisse, die wir bei unseren Simulationen beobachtet haben.“
Chew sagte, sie hätten es sogar mit Diamant versucht. Ungeachtet der viel geringeren anfänglichen Porosität und der starreren Bindungskonfiguration erhielten sie die gleiche gesputterte Struktur.
„Das von uns entwickelte Modell verbindet die Ergebnisse der Molekulardynamik-Simulation mit den experimentellen Daten“, sagte Chew. „Das nächste, was wir uns ansehen wollen, ist die sich entwickelnde Oberflächenmorphologie im Laufe der Zeit, wenn Sie immer mehr Xenon-Ionen in das System einbringen. Dies ist relevant für Ionentriebwerke für die Erforschung des Weltraums.“
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kohlenstoff.
Mehr Informationen:
H. Tran et al, Effekte der Oberflächenmorphologie und der Kohlenstoffstruktur beim Sputtern: Überbrückung von Skalen zwischen Molekulardynamiksimulationen und -experimenten, Kohlenstoff (2023). DOI: 10.1016/j.carbon.2023.01.015