Os sistemas elétricos de propulsão espacial usam átomos energizados para gerar impulso. Os feixes de íons de alta velocidade colidem contra as superfícies de grafite do propulsor, erodindo-as um pouco mais a cada impacto, e são o principal fator limitante da vida útil dos sistemas. Quando os propulsores de íons são testados em uma câmara fechada, as partículas ricocheteadas de carbono das paredes da câmara de grafite também podem se depositar novamente nas superfícies do propulsor. Isso altera as características de desempenho medidas do propulsor.
Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign usaram dados de experimentos de câmara de baixa pressão e cálculos em larga escala para desenvolver um modelo para entender melhor os efeitos da erosão iônica em superfícies de carbono – o primeiro passo para prever sua falha.
“Precisamos de uma avaliação precisa da taxa de erosão iônica no grafite para prever a vida útil do propulsor, mas as instalações de teste relataram taxas variadas de pulverização catódica, levando a grandes incertezas nas previsões”, disse Huy Tran, Ph.D. aluno do Departamento de Engenharia Aeroespacial da UIUC.
Tran disse que é difícil replicar o ambiente do espaço em uma câmara de laboratório porque é difícil construir uma câmara suficientemente grande para evitar interações superfície-íon nas paredes da câmara. E embora o grafite seja normalmente usado para a grade do acelerador e as tampas dos pólos do propulsor, não há consenso sobre qual tipo de grafite é mais resistente à erosão, conhecida como pulverização catódica.
“O problema fundamental com o teste de um propulsor de íons em uma câmara é que o propulsor está continuamente cuspindo íons de xenônio que também impactam as paredes da câmara feitas de painéis de grafite, mas não há paredes de câmara no espaço”, disse Tran. “Quando esses íons de xenônio atingem os painéis de grafite, eles também expelem átomos de carbono que se depositam novamente nas grades do acelerador. Então, em vez de a grade ficar cada vez mais fina por causa da erosão do propulsor, algumas pessoas viram em experimentos que as grades ficam mais espessas com o tempo porque o carbono está voltando das paredes da câmara.”
A simulação resolveu as limitações e incertezas nos dados experimentais e os pesquisadores ganharam conhecimento sobre um fenômeno crítico.
“Seja grafite pirolítico na óptica de íons em grade, grafite isotrópico nas tampas dos pólos, ou grafite poco ou grafite anisotrópico nas paredes da câmara, nossas simulações de dinâmica molecular mostram que as taxas e os mecanismos de pulverização são idênticos em todas essas diferentes estruturas referenciadas, ” disse Huck Beng Chew, conselheiro de Tran.
Ele disse que o processo de pulverização cria uma estrutura única de carbono durante o processo de bombardeio.
“Quando os íons vêm e danificam a superfície, eles transformam a superfície em uma estrutura amorfa, independentemente da estrutura inicial de carbono”, disse Chew. “Você acaba com uma superfície pulverizada com as mesmas características estruturais únicas. Esta é uma das principais descobertas que observamos em nossas simulações.”
Chew disse que até tentou com diamante. Independentemente da porosidade inicial muito menor e da configuração de ligação mais rígida, eles obtiveram a mesma estrutura pulverizada.
“O modelo que desenvolvemos liga os resultados da simulação de dinâmica molecular aos dados experimentais”, disse Chew. “A próxima coisa que queremos observar é a evolução da morfologia da superfície ao longo do tempo, à medida que você coloca mais e mais íons de xenônio no sistema. Isso é relevante para os propulsores de íons para a exploração do espaço profundo.”
A pesquisa faz parte de um centro da NASA conhecido como Joint Advanced Propulsion Institute, que inclui pesquisadores de nove universidades, incluindo as faculdades de engenharia aeroespacial da UIUC Chew, Debbie Levin e Joshua Rovey, que lidera a equipe de Illinois.
As simulações foram realizadas usando o Delta da NCSA, uma instalação de supercomputação em Illinois.
O artigo, “Morfologia de superfície e efeitos da estrutura de carbono na pulverização catódica: Escalas de ponte entre simulações e experimentos de dinâmica molecular”, foi escrito por Huy Tran e Huck Beng Chew. Está publicado na revista Carbono.
Com informações de Science Daily.