Il volo ipersonico è convenzionalmente indicato come la capacità di volare a velocità significativamente superiori a quella del suono e presenta una straordinaria serie di sfide tecniche. Come esempio, quando una capsula spaziale rientra nell'atmosfera terrestre, raggiunge velocità ipersoniche—più di cinque volte la velocità del suono—e genera temperature superiori a 4, 000 gradi Fahrenheit sulla sua superficie esterna. Progettare un sistema di protezione termica per mantenere gli astronauti e il carico al sicuro richiede una comprensione a livello molecolare della complicata fisica in corso nel gas che scorre intorno al veicolo.

Recenti ricerche presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno aggiunto nuove conoscenze sui fenomeni fisici che si verificano quando gli atomi vibrano, ruotare, e scontrarsi in questo ambiente estremo.

"A causa della velocità relativa del flusso che circonda il veicolo, si forma uno shock davanti alla capsula. Quando le molecole di gas attraversano lo shock, alcune delle loro proprietà cambiano quasi istantaneamente. Anziché, altri non hanno abbastanza tempo per adattarsi ai cambiamenti improvvisi, e non raggiungono i loro valori di equilibrio prima di arrivare alla superficie del veicolo. Lo strato tra l'urto e lo scudo termico si trova quindi in disequilibrio. C'è molto che non capiamo ancora sulle reazioni che avvengono in questo tipo di flusso, " ha detto Simone Venturi. È uno studente laureato che studia con Marco Panesi nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'UIUC.

Venturi ha spiegato che non possono descrivere il flusso allo stesso modo di un flusso comprimibile nell'aerodinamica a bassa velocità, che esamina le proprietà di massa del flusso. I flussi ipersonici vengono studiati a livello microscopico per capire come interagiscono le molecole e gli atomi e, in definitiva, come modellare queste interazioni.

"Il problema è ulteriormente complicato dal numero di fenomeni che si verificano simultaneamente:il disequilibrio è solo uno di questi, " disse Venturi. "Radiazioni, Per esempio, è una conseguenza degli stati elettronici eccitati. Allo stesso tempo, il flusso interagisce con i gas risultanti dall'ablazione della superficie della capsula."

La ricerca ha esaminato il disequilibrio dal punto di vista della vibrazione e della rotazione delle molecole nel flusso intorno al veicolo, o vibrazioni, una parola comunemente usata nello studio dell'ipersonica e della fisica quantistica.

"L'input alle nostre simulazioni proviene dai primi principi della fisica quantistica. Consideriamo gli atomi a una serie di distanze relative, e calcoliamo le energie di interazione risultanti risolvendo l'equazione di Schrödinger, " Ha detto Venturi. "La soluzione arriva solo in un insieme discreto di punti. L'apprendimento automatico ci aiuta a adattare e produrre una superficie continua, quella che chiamiamo la superficie dell'energia potenziale".

Negli anni passati, i ricercatori hanno iniziato a esaminare le reti neurali per generare la superficie tra questi punti.

"Abbiamo aggiunto un ulteriore livello di complessità estendendo le reti neurali tramite l'apprendimento probabilistico delle macchine, " ha detto Venturi. "Questo non solo ci permette di descrivere le interazioni atomiche in modo più accurato, ma quantifica anche l'incertezza che colpisce questi oggetti. Abbiamo creato una distribuzione delle superfici, invece di una sola superficie, perché la previsione che esce da questi modelli non è solo un singolo valore, ma una distribuzione di valori. Così, è previsione con incertezza intorno al valore. Il risultato non è una risposta esatta, ma una distribuzione di risposte».

Venturi ha detto dopo aver rappresentato l'energia di interazione tra molecole e atomi, hanno simulato miliardi di collisioni.

"Sappiamo cosa succede in un piccolo insieme di punti spaziali, e poi usiamo l'equazione della meccanica classica. Le equazioni sono le stesse che governano la collisione delle palle da biliardo. La differenza è che usiamo queste interazioni, queste interazioni quantistiche, come forze trainanti. Questa complicazione è richiesta dalla scala atomica del problema, poiché le particelle possono sentirsi a vicenda anche quando sono distanti. Con un numero enorme di collisioni, possiamo ottenere la probabilità che certe reazioni accadano. Usiamo queste probabilità di reazione nella fluidodinamica computazionale con l'obiettivo finale di prevedere i flussi e progettare scudi termici più sicuri, " Egli ha detto.

Sebbene non siano stati i primi a utilizzare l'apprendimento automatico per costruire potenziali superfici energetiche, Venturi ha detto, "siamo stati i primi a ottenere incertezze su queste quantità. È un modo per convalidare l'accuratezza dell'apprendimento automatico applicato alla costruzione di queste potenzialità".

Nel secondo progetto di ricerca, Venturi ha detto che ora sanno di più sulle dinamiche di dissociazione nei flussi ipersonici, questo è, come le molecole rompono i loro legami e diventano due atomi separati come conseguenza di forti collisioni.

"Le temperature estreme dei regimi ipersonici generano una fisica molto particolare, "Il Venturi ha detto. "La rendono impossibile distinguere tra vibrazioni e rotazioni delle molecole. Non puoi dividerli perché sono altamente accoppiati tra loro. Abbiamo scoperto che questo effetto ha importanti conseguenze sui meccanismi di dissociazione.

"È interessante, non solo dal punto di vista della chimica, ma anche da un punto di vista ingegneristico. Le reazioni chimiche che avvengono dopo che le molecole di gas e gli atomi si scontrano rilasciano energia nel flusso o ne sottraggono energia, " disse Venturi. "Allora, se vogliamo quantificare il flusso di calore che colpisce lo scudo termico, dobbiamo prevedere quanta energia è immagazzinata nel flusso intorno al veicolo. La dissociazione delle molecole nell'atmosfera non è qualcosa che osserviamo comunemente a temperatura ambiente. Inizia ad essere rilevante solo a temperature superiori a 4, 500 gradi Fahrenheit per l'ossigeno e 7, 000 gradi Fahrenheit per l'azoto. È un fenomeno interessante, e ora ne capiamo di più".

I due articoli sono stati riconosciuti con le copertine di The Giornale di chimica fisica . Simone Venturi, un dottorando con Marco Panesi nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e SCACCHI, sfrutta l'apprendimento automatico e la scienza dei dati per studiare la chimica in ambienti ipersonici.