Método de fabricação e detalhes do projeto do experimento. Crédito:Journal of Applied Physics (2024). DOI:10.1063/5.0180712 Quando os materiais são submetidos a ambientes extremos, correm o risco de se misturarem. Esta mistura pode resultar em instabilidades hidrodinâmicas, produzindo efeitos colaterais indesejáveis. Tais instabilidades representam um grande desafio em múltiplas disciplinas, especialmente em astrofísica, combustão e cargas moldadas – um dispositivo usado para concentrar a energia de um explosivo detonante, criando assim um jato de alta velocidade que é capaz de penetrar profundamente em metal, concreto ou outro alvo. materiais.
Para enfrentar os desafios no controle dessas instabilidades, os pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) estão combinando capacidades de computação e métodos de fabricação para desenvolver rapidamente e validar experimentalmente modificações em uma carga moldada. Este trabalho, publicado no Journal of Applied Physics , faz parte do Projeto DarkStar - uma iniciativa estratégica de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigida por Laboratório que visa controlar a deformação de materiais, investigando os problemas científicos de hidrodinâmica complexa, física de ondas de choque e materiais energéticos.
"Como um furacão, as ondas de choque e a detonação de explosivos são normalmente consideradas eventos 'incontroláveis'. Mas estabelecemos como objetivo controlar esses complicados sistemas dinâmicos", disse o investigador principal da Estrela Sombria, Jon Belof.
A inspiração por trás do projeto DarkStar está profundamente enraizada em uma linha de pesquisa inacabada de Johnny von Neumann – um membro importante do Projeto Manhattan e especialista em física não linear de hidrodinâmica e ondas de choque. Tendo contribuído para a reputação de líder mundial em computação do LLNL, von Neumann é frequentemente considerado o matemático mais talentoso de seu tempo.
Aplicando tecnologias modernas às teorias computacionais de von Neumann, a equipe empregou inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML) para explorar novos projetos computacionalmente otimizados. O uso da manufatura aditiva – impressão 3D – possibilitou que os pesquisadores realizassem rapidamente até mesmo os componentes mais radicais projetados por IA que, de outra forma, seriam considerados “impossíveis” de serem criados usando métodos de fabricação tradicionais.
Para testar seus projetos de carga moldada - compreendendo um revestimento de cobre, um alto explosivo (HE) e um tampão de silicone - a equipe conduziu um total de 14 experimentos de detonação de HE no Centro de Aplicações de Altos Explosivos do LLNL de 2022 a 2023. Esses experimentos compararam um projeto de linha de base , que não utilizou tampão entre o liner e o HE, contra um desenho com tampão otimizado para demonstrar a eficácia do tampão de silicone como técnica de mitigação de instabilidade.
“Cada um dos nossos projetos passou por testes de otimização, fabricação e detonação em menos de três meses”, disse o autor principal Dylan Kline.
Uma vez detonado, o revestimento metálico é comprimido e empurrado para frente a cerca de 5 quilômetros por segundo, formando um jato de alta velocidade. A instabilidade que esta pesquisa pretende mitigar ocorre quando o explosivo cria um impulso ou “pico” na interface dos materiais, deformando e acelerando o metal (que possui alta densidade) no ar ao seu redor (que possui baixa densidade). Neste caso, a instabilidade ou mistura dos materiais ocorre quando o jato se forma no ar.
Kline disse:"Nosso objetivo é aumentar a forma como essa instabilidade cresce. Se pudermos adicionar algo em nosso projeto para moldar as ondas de choque, então poderemos controlar a maneira como a energia é transmitida ao revestimento metálico."
Radiografias flash de raios X tiradas durante os experimentos de detonação revelam a capacidade do tampão de silicone de mitigar instabilidades potenciais de maneira confiável e consistente.
Através de sua série de experimentos, a equipe descobriu várias descobertas inovadoras sobre instabilidades hidrodinâmicas, incluindo como suprimir completamente uma instabilidade conhecida como Instabilidade Richtmyer-Meshkov (RMI). O RMI é de particular interesse devido à sua natureza imprevisível e ao seu papel em materiais submetidos a carregamentos dinâmicos extremos.
Esta investigação é diretamente aplicável à engenharia aeroespacial e à segurança energética e climática, uma vez que cargas moldadas são normalmente utilizadas para separar sistemas de aeronaves ou para fechar condutas de petróleo em situações de emergência. Por exemplo, durante o derrame de petróleo da Deepwater Horizon em 2010, normalmente teria sido utilizada uma carga moldada para fechar rapidamente o tubo. No entanto, como as pressões eram tão elevadas, mesmo os explosivos foram ineficazes para impedir o derrame.
“Este é apenas um caso em que ter explosivos mais poderosos e formas mais eficazes de usá-los para manipular metal poderia melhorar a nossa ecologia industrial”, disse Belof.
O Projeto DarkStar ilumina o potencial da IA/ML para apoiar uma ampla gama de missões de segurança nacional.
