Validierung des PicLas-Codes als numerisches Verfahren zur Charakterisierung des Treibstrahls bei laser-ablativen Mikroantrieben

Kurzfassung

Am DLR wird zur Zeit an einem laser-ablativen Mikroantrieb für Satelliten geforscht. Zur Charakterisierung des Treibstrahls soll in Zukunft der 3D-PIC-DSMC-FP-Code PicLas der Universität Stuttgart eingesetzt werden. In dieser Arbeit soll in einer ersten Anwendung die Software für diesen Zweck validiert werden. Die Laser-Material-Interaktion zur Bestimmung der Eingangsdaten für PicLas wird mit dem 1D-Hydrodynamik-Code Virtual Laser Laboratory simuliert. Durch die bisher fehlende Möglichkeit, eine entsprechende Einströmung zu realisieren, werden die Partikel zu Beginn im Rechengebiet lokalisiert. Bei der Ablation ergeben sich teilweise relativ hohe Plasmadichten, die zu Problemen mit dem PIC-Modul führen. Deshalb wurden die PicLas-Simulationen in zwei getrennten Abschnitten durchgeführt. Im ersten Teil werden mit dem PIC-Modul nur geladene Spezies und damit elektromagnetische Kräfte betrachtet, es finden keine Teilchenstöße statt. Dabei zeigt sich ein starker, unphysikalischer Energiezuwachs. Für Teilchendichten von 10E21 bis 10E25 m^-3 wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter wie räumliche und zeitliche Diskretisierung untersucht. Für die höheren Dichten zeigt sich dabei, dass sehr kleine Zellgrößen und Zeitschritte notwendig sind. Ein zweiter Teil der PicLas-Simulationen betrachtet den Treibstrahl als neutrales Gas, so dass hier nur das DSMC-Modul eingesetzt wird. PicLas erweist sich dabei als grundsätzlich gut geeignet. Im Fokus der unmittelbaren weiteren Entwicklung sollten einerseits weitere Features stehen, wie beispielsweise eine spezialisierte Einströmung der Teilchen entsprechend dem räumlichen und zeitlichen Verlauf der Ablation. Andererseits müssen für weitere Arbeiten eine Reihe von Werkzeugen, etwa für die Erstellung der zeitlichen Ensemble-Mittelung, noch entwickelt werden. Ein allgemeines Problem während der Arbeit war der sehr große Rechen- und Speicherbedarf der Simulationen.