Wenn ein Raumfahrzeug mit hoher Geschwindigkeit in eine dichte Atmosphäre eindringt, komprimiert es das Gas vor ihm schnell. Dadurch entstehen Temperaturen, die hoch genug sind, um die Gasmoleküle zu einem heißen, dichten Plasma zu ionisieren. Zum Schutz vor Beschädigungen sind Raumfahrzeuge typischerweise mit einem Hitzeschildmaterial bedeckt, das kontrolliert verbrennt. Dieser Vorgang wird als Ablation bezeichnet. Obwohl aktuelle Materialien für heutige Missionen effektiv sind, erfordern zukünftige Missionen bessere Hitzeschilde.
Um sie zu entwickeln, verwendeten Wissenschaftler erstmals ein Gerät, das als Tokamak bekannt ist, um zu untersuchen, was mit diesen Materialien in einem heißen Plasma passiert. In einer Reihe von Experimenten setzte das Team stationäre Graphitstäbe nahe dem Boden des Tokamaks dem Plasma aus. Anschließend injizierten sie kleine Kohlenstoffpellets tiefer in den Kern des Plasmas, um zu beobachten, wie verschiedene kohlenstoffbasierte Materialien unter Bedingungen brennen, die für den Eintritt von Raumfahrzeugen in Atmosphären relevant sind.
Tokamaks sind Donut-förmige Geräte, die Plasmen mit starken Magnetfeldern einfangen können. Wissenschaftler nutzen diese Geräte vor allem zur Erforschung der Fusionsenergie. Die Bedingungen in einem Tokamak-Plasma können denen ähneln, die bei einigen der herausforderndsten Weltraummissionen, die jemals versucht wurden, wie dem Eintritt der Galileo-Sonde in die Atmosphäre des Jupiters, erlebt wurden. Obwohl die Galileo-Mission erfolgreich war, nahm ihr Hitzeschild etwa die Hälfte der Masse der Sonde ein. Dies ließ wenig Kapazität für wissenschaftliche Instrumente.
Die Entwicklung leichterer und fortschrittlicherer Hitzeschilde erfordert das Testen der Materialzerstörung unter extremen Hitzebedingungen. Es ist schwierig, diese Bedingungen auf der Erde zu reproduzieren. Diese einzigartigen Experimente lieferten dringend benötigte Daten für die Weiterentwicklung von Hitzeschildmaterialien.
Frühere Ansätze zum Testen von Hitzeschilden unter Verwendung von Lasern, Plasmastrahlen und Hochgeschwindigkeitsprojektilen litten unter dem Problem, dass kein einziges Verfahren die exakten Erwärmungsbedingungen simulieren konnte, die während eines Hochgeschwindigkeitseintritts in die Atmosphäre vorhanden waren. Folglich haben frühere Modelle des Hitzeschildverhaltens manchmal die Geschwindigkeit, mit der ein Hitzeschild Material verliert, zu hoch oder zu niedrig vorhergesagt, mit möglicherweise katastrophalen Ergebnissen.
Experimente an der DIII-D National Fusion Facility, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums (DOE), zeigten, dass das von einem Fusionsreaktor während des Betriebs erzeugte heiße Plasma eine neuartige und potenziell verbesserte Möglichkeit zur Modellierung des Hitzeschildverhaltens bietet, insbesondere für zukünftige Einträge Venus oder die Gasriesen. Dem Team gehörten Forscher der University of California San Diego, der Auburn University, General Atomics und der Baylor University an.
Da DIII-D eine der flexibelsten und am besten ausgestatteten Fusionsanlagen der Welt ist, konnte das Team eine Reihe wertvoller Daten über das Verhalten der Proben sammeln und diese zur Verbesserung theoretischer Modelle und numerischer Simulationen verwenden. Die DIII-D-Ergebnisse stimmen mit Vorhersagen aus einem halbempirischen Modell überein, das in der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft zur Berechnung der Massenverlustrate von Hitzeschilden auf Kohlenstoffbasis unter extremen Wärmeflüssen beim Eintritt in die Jupiteratmosphäre entwickelt wurde.
Somit validierten die Experimente sowohl die Verwendung dieses Modells bei der Konstruktion zukünftiger Hitzeschilde als auch demonstrierten, dass das Tokamak-Plasma die extremen Erwärmungsbedingungen während des atmosphärischen Eintritts in eine Laborumgebung reproduzieren kann. Ersteres wird dazu beitragen, das Design von Raumfahrzeugen für zukünftige Missionen zu den Gasplaneten in unserem Sonnensystem zu verbessern. Letzteres wird den Weg für die experimentelle Untersuchung einer breiten Palette grundlegender Fragen ebnen, einschließlich der Frage, wie Meteoriten organisches Material an Planetenoberflächen abgeben – eine wichtige Frage bei der Entstehung des Lebens.
Die Forschung ist veröffentlicht in Band 4: Fortschritte in der Luft- und Raumfahrttechnik.
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Dmitri M. Orlov et al, Design and Testing of DiMES Carbon Ablation Rods in the DIII-D Tokamak, Band 4: Fortschritte in der Luft- und Raumfahrttechnik (2022). DOI: 10.1115/IMECE2021-73326