Modellierung von Oberflächenchemie

Hitzeschutzschilde sind für den atmosphärischen Eintritt von Raumfahrzeugen unerlässlich. Die Oberfläche des Raumfahrzeuges muss sowohl starken Kräften als auch erheblichen thermischen Belastungen durch die hochenthalpen Gasströme und das thermische und chemische Nicht-Gleichgewicht während dem Eintrittsprozess standhalten. Daher ist die Wahl des Materials für das Hitzeschutzschild entscheidend, auch, um untere Schichten des Raumfahrzeuges zu schützen. Gleichzeitig sollte das Schutzschild so leicht wie möglich sein, um die Gesamtmasse und damit anfallende Kosten zu reduzieren.

Der Wärmefluss beim Atmosphäreneintritt wird direkt durch heterogene Prozesse beeinflusst, die zwischen dem Atmosphärengas und der Oberfläche des Hitzeschutzschildes auftreten können. Selbst bei nur geringfügig katalytischen Materialien wie zum Beispiel reaktionsgehärtetem Glas, einer häufig verwendeten Borosilikat-Verbindung, kann ein nicht vernachlässigbarer Anteil diesen Prozessen zugeschrieben werden. Zusätzlich können katalytische Reaktionen zur Bildung von strahlenden Produkten oder zur Ablation der Oberfläche führen.

Eine experimentelle Messung des katalytischen Wärmestromes ist aufwendig und teuer und erlaubt oft keine individuelle Abschätzung des Einflusses einzelner Prozesse. In Simulationen werden Gas-Oberflächenreaktionen in der Regel nicht berücksichtigt oder nur mit vereinfachten Modellen beschrieben, wie bei der Modellierung über Rekombinationskoeffizienten in CFD-Simulationen, die physikalische Prozesse nicht direkt abbilden können.

Daher wurde ein katalytisches Reaktionsmodell für PICLas entwickelt. Das Modell beinhaltet die häufigsten Reaktionsmechanismen für ein katalytisches Gas-Feststoff-System. Dabei werden Änderungen von physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, wie der Bedeckungsgrad und der Wärmestrom über die zugrundeliegenden Reaktionsraten und experimentelle Parameter simuliert. Die Oberflächenstruktur selbst wird nur implizit behandelt, um den Rechenaufwand gering zu halten. Mit dem katalytischen Reaktionsmodell können ebenfalls komplexere Reaktionsnetzwerke modelliert werden und der Einfluss der einzelnen Prozesse auf den Wärmefluss abgeschätzt werden.