Các nhà nghiên cứu cố gắng dự đoán khả năng phục hồi của vệ tinh đối với vũ khí hủy diệt hàng loạt trong không gian

Các nhà nghiên cứu cố gắng dự đoán khả năng phục hồi của vệ tinh đối với vũ khí hủy diệt hàng loạt trong không gian

    Các nhà nghiên cứu cố gắng dự đoán khả năng phục hồi của vệ tinh đối với vũ khí hủy diệt hàng loạt trong không gian
    của David Pulgar, Đại học Khối thịnh vượng chung Virginia

    Researchers strive to predict satellite resilience to weapons of mass destruction in space
    Gennady Miloshevsky, Ph.D., là phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và hạt nhân chuyên về vật lý tính toán, tập trung vào plasma, laser và chùm hạt. Ảnh: Trường Cao đẳng Kỹ thuật VCU


    Vật lý tính toán là một lĩnh vực có nhiều sắc thái và chi tiết. Sử dụng toán học, các nhà nghiên cứu xây dựng các mô hình và mô phỏng trên máy tính để kiểm tra các giả thuyết trong môi trường kỹ thuật số. Những thí nghiệm số này thường được sử dụng khi thử nghiệm thực tế không khả thi, chẳng hạn như khi bạn phải xác định độ bền của vật liệu trong một vụ nổ hạt nhân.

    Gennady Miloshevsky, Ph.D., là phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hạt nhân tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Đại học Khối thịnh vượng chung Virginia, chuyên về vật lý máy tính, tập trung vào plasma, laser và chùm hạt. Anh làm việc để dự đoán hành vi và trạng thái của vật liệu khi ở dưới áp suất, nhiệt độ và bức xạ cực cao.

    Với sự tài trợ của Cơ quan Giảm thiểu Đe dọa Quốc phòng, một cơ quan của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, Miloshevsky đang nghiên cứu tác động của vũ khí hủy diệt hàng loạt đối với các vệ tinh trong quỹ đạo Trái đất. Công việc của anh ấy đòi hỏi sự quen thuộc rõ rệt với thế giới vật chất của chúng ta và cách các dạng năng lượng khác nhau tương tác với và bên trong vật chất.

    "Bất kỳ vệ tinh nào ở gần điểm kích nổ sẽ bị phá hủy", Miloshevsky nói. "Tuy nhiên, ngoài khu vực ban đầu đó, các vệ tinh còn sống sót có thể bị nổ tung do tia X, sốc cơ nhiệt và sự hình thành plasma dày đặc ấm áp diễn ra trên bề mặt vật chất. Điều này gây ra hư hỏng cho hệ thống quang học, cảm biến và pin mặt trời bị lộ ra ngoài vệ tinh. Các plasma bề mặt đặc biệt dày đặc có thể ghép nối các tế bào năng lượng mặt trời với nhau trong các khoảng trống giữa các phần tử hoạt động không được che chắn và cấu trúc điện môi khiến chúng bị phá hủy. Tất cả sẽ phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm kích nổ và hướng của vệ tinh."

    Một phần nghiên cứu của Miloshevsky liên quan đến việc phát triển các phương pháp mô phỏng nhiệt độ, áp suất và bức xạ bằng máy tính để nghiên cứu trạng thái được gọi là "plasma đặc ấm", xảy ra giữa trạng thái rắn và plasma cổ điển và thể hiện các đặc tính của cả hai. Hiểu rõ hơn về trạng thái vật chất này là bước đệm để tạo ra các vật liệu đàn hồi hơn.

    Miloshevsky nói: “Plasma đậm đặc ấm áp rất thoáng qua và tồn tại trong thời gian ngắn. "Trạng thái xảy ra trong vài nano giây, do đó, việc cô lập nó trong môi trường phòng thí nghiệm để mô tả đặc điểm của nó là rất phức tạp. Một vụ nổ hạt nhân chiếu xạ các vật liệu bằng tia X cường độ cao, dẫn đến sự chuyển đổi thành plasma dày đặc ấm áp. Nghiên cứu DTRA của chúng tôi tìm kiếm để hiểu vật lý cơ bản của plasma đặc, ấm, bao gồm các tính chất vật lý và điện của nó. Hiện vẫn chưa rõ điều này có thể ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn vật liệu trong tương lai cho các thành phần vệ tinh."

    Lệnh cấm thử nghiệm hạt nhân có nghĩa là nghiên cứu về tác động của vũ khí hạt nhân chỉ có thể thực hiện được thông qua việc sử dụng mã máy tính để mô hình hóa hoặc mô phỏng nhiều hiện tượng vật lý do vụ nổ hạt nhân tạo ra.

    Lĩnh vực nghiên cứu đầu tiên của Miloshevsky bao gồm định lượng và giảm thiểu sự không chắc chắn của các đặc tính vật liệu mô hình máy tính, chẳng hạn như kim cương, trong các điều kiện của vụ nổ hạt nhân bằng cách sử dụng mã máy tính REODP (Phát xạ bức xạ và Độ mờ của plasma dày đặc) do ông phát triển. Mã này được sử dụng để nghiên cứu trạng thái ion hóa và lượng ion dồi dào đối với trạng thái cân bằng và plasma đậm đặc nhất thời. Nó giúp dự đoán các phương trình trạng thái, vận chuyển và tính chất quang học của vật liệu thuộc loại plasma dày đặc ấm áp.

    Trong lĩnh vực nghiên cứu thứ hai, Miloshevsky nghiên cứu để hiểu và dự đoán sự tương tác giữa tia X và vật liệu bề mặt vệ tinh (chẳng hạn như silicon, germanium và các vật liệu khác được sử dụng để chế tạo các tấm pin mặt trời) trong một vụ nổ hạt nhân trong không gian. Điều này sử dụng mã MIRDIC (Mô hình hóa Sạc bức xạ ion hóa sâu) được phát triển với sự cộng tác của Trung tâm Chuyến bay Không gian Marshall của NASA cho dự án Tàu đổ bộ Europa của họ. Mã này giúp dự đoán quá trình sản xuất điện tích bằng tia X vật đen trong chất điện môi và chất cách điện của các hệ thống vũ trụ DoD. Nó cũng có thể dự đoán sự cố vật liệu tĩnh điện.

    Ngoài ra, một phần của lĩnh vực nghiên cứu thứ hai là tìm hiểu sự tạo ra xung kích do tia X gây ra, quá trình cắt bỏ và thổi bay vật chất (khi vật chất bị "thổi bay" vệ tinh theo đúng nghĩa đen để phản ứng với một lực khác) trong chân không vũ trụ. Điều này được nghiên cứu bằng cách sử dụng mã MSM-LAMMPS (Mô hình chia tỷ lệ động lượng được triển khai trong gói phần mềm Mô phỏng song song khối lượng lớn nguyên tử/phân tử quy mô lớn). Nó dự đoán hành vi của vật chất ở cấp độ nguyên tử trong các môi trường khắc nghiệt, bản chất và hành vi của vật liệu ở trạng thái không cân bằng cao, các cơ chế vi mô của sự phân rã, thổi bay, nóng chảy, ion hóa và các trạng thái plasma dày đặc ấm áp.

    Thí nghiệm thực hành trong một phòng thí nghiệm sử dụng laze để tái tạo nhiệt và áp suất do bức xạ tia X, sốc và các tác động vật lý khác của vụ nổ hạt nhân tạo ra. Các đồng nghiệp của Miloshevsky tại Viện Vật liệu khắc nghiệt John Hopkins đốt nóng các vật liệu kim cương cacbua và silica thường được tìm thấy trong các tấm pin mặt trời đến nhiệt độ từ 11.600 đến 1.160.000 Kelvin bằng cách sử dụng tia laze tại Đại học Rochester và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương để quan sát sự biến đổi tạm thời này thành plasma dày đặc ấm áp. Các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp ghi bóng, quang phổ và các phương pháp phân tích trực quan khác để định lượng kết quả. Họ cũng có thể điều tra độ sâu, kích thước và hình dạng của miệng hố do tia laser tạo ra trên bề mặt vật liệu.

    Miloshevsky nói: “Nghiên cứu thực nghiệm và tính toán có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và bổ sung cho nhau. "Tương tác laser-vật liệu là một quá trình phức tạp xảy ra trên nhiều thang đo không gian (nanomet đến milimét) và thời gian (femto giây đến mili giây) cùng với sự phát triển và thay đổi của vật lý. Dữ liệu được đo trong các thí nghiệm này thường cần những hiểu biết vật lý từ mô hình máy tính để có thể chính xác được giải thích và hiểu rõ. Các mô hình có thể cung cấp các chi tiết tinh vi của các quá trình vật lý mà không thể tiết lộ trong các thí nghiệm thực tế do quy mô không gian và thời gian nhỏ đến khó tin. Ngược lại, dữ liệu từ thí nghiệm vật lý có thể được đưa vào một mô hình máy tính để nó có thể được phát triển và hoàn thiện hơn nữa để nâng cao hiểu biết về dữ liệu đo được của thí nghiệm."

    Bài báo đánh giá chuyên đề gần đây của Miloshevsky, "Tương tác vật chất laser siêu nhanh: Phương pháp tiếp cận, thách thức và triển vọng mô hình hóa", trình bày chi tiết một số tiến bộ này trong mô hình tính toán và phát triển mô phỏng cho tương tác xung laser với chất rắn và plasma. Nghiên cứu được xuất bản trong Mô hình hóa và mô phỏng trong Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.

    Zalo
    Hotline