Modellering en simulatie van luchtplasma's met behulp van deeltjesmethoden toegepast op Air-Breathing Electric Propulsion

Een opkomend concept genaamd Air-Breathing Electric Propulsion (ABEP) zou het mogelijk maken om met ruimtevaartuigen te vliegen in de momenteel onbenutte Very Low Earth Orbit door lucht te gebruiken die uit de atmosfeer is verzameld als drijfgas voor een plasma-thruster. Een kleinschalige hypersonische faciliteit met lage dichtheid, gefinancierd door ESA, zal in gebruik worden genomen bij het von Karman Instituut voor Stromingsdynamica (VKI) voor het experimenteel testen van een ABEP-inlaat-collectorsysteem. De stroom van snelle deeltjes die in de faciliteit nodig is, wordt bereikt door middel van elektrostatische deeltjesversnelling, met behulp van een zogenaamde deeltjesstroomgenerator (PFG). Deze apparaten zijn afgeleid van laboratoriumplasmabronnen en plasmastuwraketten voor ruimtevoortstuwing. Plasmamodellering en simulatie is vereist om de grondtestfaciliteit en de experimenten te ontwerpen, en om de resultaten van grondtesten te extrapoleren naar orbitale omstandigheden. De hybride Particle-in-Cell (PIC) / Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) -methode is geschikt om de botsende, niet-evenwichtige plasmastroom te simuleren. De 2D PIC – DSMC-code PANTERA wordt momenteel ontwikkeld bij VKI. In dit PhD zullen we deze tool gebruiken en de mogelijkheden ervan uitbreiden, gebruikmakend van de ervaring die we hebben opgedaan in het Centrum voor Plasma-Astrofysica (CmPA) van de KU Leuven met geavanceerde Particle-in-Cell-methoden. De interactie tussen chemisch soorten die het luchtmengsel vormen, is complex en vereist adequate modellering van botsingen, interne moleculaire vrijheidsgraden, chemische reacties en plasma-wandinteractie. Bovendien, aangezien de lengte- en tijdschalen van het systeem groot zijn in vergelijking met de typische lengte- en tijdschalen van plasma-oscillaties, brengen deeltjesmethoden hoge rekenkosten met zich mee. We zullen geavanceerde numerieke schema's ontwikkelen en implementeren, zoals de energy conserving semi-implicit methode, om deze beperkingen te helpen overwinnen. Gepaste methoden voor rasterdiscretisatie en efficiënte parallellisatieprocedures zullen worden onderzocht. Het uiteindelijke doel is om de simulatie van een complex, gekoppeld en multi-scale plasmasysteem zoals het ABEP-systeem op kinetisch niveau mogelijk te maken, en om een voorspellend model te bieden van de ABEP-inlaat in grondtestomstandigheden. Resultaten van experimenten in de VKI-faciliteit met lage dichtheid, samen met een procedure voor onzekerheidskwantificatie van de numerieke resultaten, zullen een robuuste validatie van onze modellen en methoden mogelijk maken.