Published May 23, 2023 | Version v1
Publication Open

High heat flux reduction to materials using current filaments

Creators

  • 1. Duy Tan University
  • 2. Hiroshima University
  • 3. National Institute for Fusion Science
  • 4. National Institutes of Natural Sciences
  • 5. The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI

Description

Reducing high electron and ion heat fluxes is one of the critical issues for shielding satellites and spacecraft. One of the ideas for shielding high particle and heat fluxes is to apply an external magnetic field generated by injecting current filaments. In this work, we model a flow of plasma, which includes electrons and ions in a small region, by using two spatial dimensions and three coordinates for velocities (2D3V) Particle-In-Cell (PIC) code to study the effects of the injected current filaments on particle and heat fluxes to the wall. The plasma enters the simulation domain from the source region at the left boundary and is fully absorbed in the conductor wall at the right boundary. Current filaments are injected to change the magnetic field structure of the system. We compare particle density, particle flux, and heat flux with and without injecting the current filaments into the domain in two dimensions. Based on the simulation results, we found that injecting current filaments can reduce the peak fluxes to the wall and transfer some of those fluxes along the wall. Therefore, injecting the current filaments is a good candidate for shielding satellites and spacecraft from high-energy ion and electron fluxes.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد الحد من تدفقات الحرارة العالية للإلكترونات والأيونات أحد القضايا الحاسمة لحماية الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية. تتمثل إحدى أفكار حماية الجسيمات العالية والتدفقات الحرارية في تطبيق مجال مغناطيسي خارجي ناتج عن حقن خيوط التيار. في هذا العمل، نقوم بنمذجة تدفق البلازما، والذي يتضمن الإلكترونات والأيونات في منطقة صغيرة، باستخدام بعدين مكانيين وثلاثة إحداثيات للسرعات (2D3V) رمز الجسيمات في الخلية (PIC) لدراسة تأثيرات خيوط التيار المحقون على الجسيمات وتدفق الحرارة إلى الجدار. تدخل البلازما مجال المحاكاة من منطقة المصدر عند الحد الأيسر ويتم امتصاصها بالكامل في جدار الموصل عند الحد الأيمن. يتم حقن الخيوط الحالية لتغيير بنية المجال المغناطيسي للنظام. نقارن كثافة الجسيمات وتدفق الجسيمات وتدفق الحرارة مع وبدون حقن خيوط التيار في المجال في بعدين. بناءً على نتائج المحاكاة، وجدنا أن حقن خيوط التيار يمكن أن يقلل من تدفقات الذروة إلى الجدار وينقل بعض هذه التدفقات على طول الجدار. لذلك، يعد حقن الخيوط الحالية مرشحًا جيدًا لحماية الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية من تدفقات الأيونات والإلكترونات عالية الطاقة.

Translated Description (French)

La réduction des flux de chaleur élevés d'électrons et d'ions est l'un des problèmes critiques pour le blindage des satellites et des engins spatiaux. L'une des idées pour protéger les flux de particules et de chaleur élevés est d'appliquer un champ magnétique externe généré par l'injection de filaments de courant. Dans ce travail, nous modélisons un flux de plasma, qui comprend des électrons et des ions dans une petite région, en utilisant deux dimensions spatiales et trois coordonnées pour les vitesses (2D3V) du code Particle-In-Cell (pic) pour étudier les effets des filaments de courant injectés sur les flux de particules et de chaleur vers la paroi. Le plasma pénètre dans le domaine de simulation à partir de la région source à la limite gauche et est entièrement absorbé dans la paroi du conducteur à la limite droite. Des filaments de courant sont injectés pour modifier la structure du champ magnétique du système. Nous comparons la densité des particules, le flux de particules et le flux de chaleur avec et sans injecter les filaments actuels dans le domaine en deux dimensions. Sur la base des résultats de la simulation, nous avons constaté que l'injection de filaments de courant peut réduire les flux de crête vers la paroi et transférer certains de ces flux le long de la paroi. Par conséquent, l'injection des filaments actuels est un bon candidat pour protéger les satellites et les engins spatiaux des flux d'ions et d'électrons de haute énergie.

Translated Description (Spanish)

Reducir los altos flujos de calor de electrones e iones es uno de los problemas críticos para proteger satélites y naves espaciales. Una de las ideas para blindar altos flujos de partículas y calor es aplicar un campo magnético externo generado por la inyección de filamentos de corriente. En este trabajo, modelamos un flujo de plasma, que incluye electrones e iones en una región pequeña, mediante el uso de dos dimensiones espaciales y tres coordenadas para el código de velocidad (2D3V) de Partícula en Célula (PIC) para estudiar los efectos de los filamentos de corriente inyectados en los flujos de partículas y calor a la pared. El plasma entra en el dominio de simulación desde la región de la fuente en el límite izquierdo y se absorbe completamente en la pared del conductor en el límite derecho. Los filamentos actuales se inyectan para cambiar la estructura del campo magnético del sistema. Comparamos la densidad de partículas, el flujo de partículas y el flujo de calor con y sin inyectar los filamentos actuales en el dominio en dos dimensiones. Con base en los resultados de la simulación, descubrimos que la inyección de filamentos de corriente puede reducir los flujos máximos a la pared y transferir algunos de esos flujos a lo largo de la pared. Por lo tanto, la inyección de los filamentos actuales es un buen candidato para proteger los satélites y las naves espaciales de los flujos de iones y electrones de alta energía.

Files

s41598-023-35109-4.pdf.pdf

Files (3.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:2560226ddad22140927be2cba6d2a01f
3.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تقليل التدفق الحراري العالي للمواد باستخدام الشعيرات الحالية
Translated title (French)
Réduction élevée du flux de chaleur vers les matériaux à l'aide de filaments actuels
Translated title (Spanish)
Alta reducción de flujo de calor a materiales que utilizan filamentos actuales

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4377940954
DOI
10.1038/s41598-023-35109-4

Is supplement to
https://openalex.org/W4362663149 (Other)
https://openalex.org/W4296907770 (Other)
https://openalex.org/W2995601117 (Other)
https://openalex.org/W2786495534 (Other)
https://openalex.org/W2168666755 (Other)
https://openalex.org/W2083108293 (Other)
https://openalex.org/W2061000623 (Other)
https://openalex.org/W2018146791 (Other)
https://openalex.org/W1983162983 (Other)
https://openalex.org/W1964672723 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1975778411
  • https://openalex.org/W1986136257
  • https://openalex.org/W1988985744
  • https://openalex.org/W2001884397
  • https://openalex.org/W2034939800
  • https://openalex.org/W2048338165
  • https://openalex.org/W2072175301
  • https://openalex.org/W2072746982
  • https://openalex.org/W2074294011
  • https://openalex.org/W2092900414
  • https://openalex.org/W2157265242
  • https://openalex.org/W2385600772
  • https://openalex.org/W27922152
  • https://openalex.org/W4200147262
  • https://openalex.org/W4246652625