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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
導入
近い将来、ナノ材料とナノ要素は宇宙船や宇宙工学に広く応用されるでしょう。従来の材料を上回る機械的、熱的、電気的および光学的特性におけるナノ材料の優位性は、地球近傍軌道での長期（約15年から20年）の運用と自動および自動制御を目的とした次世代宇宙船における幅広い応用を明らかに刺激するであろう。有人惑星間ミッションや月面での有人基地の建設。
地球近傍の宇宙は、高真空、宇宙放射線、高温プラズマと低温プラズマ、微小流星体と宇宙ゴミ、温度差などにより、物質にとって極限の環境であると言われています。既存の実験データや理論データは、ナノマテリアルがさまざまな宇宙環境の影響に応答することを示しています。従来のバルク宇宙船材料とは大幅に異なる可能性があります。したがって、ナノマテリアルにとって重要な宇宙環境の構成要素を決定し、ナノマテリアルに対する宇宙環境の影響を数学的および実験的にシミュレーションする新しい方法を開発する必要がある。
モデリングは、さまざまな現象を説明し、さまざまな条件下での既存の材料および設計材料の挙動を予測するための非常に重要な科学ツールです。ナノテクノロジーの場合、多くのナノスケール現象を実験的に観察および測定することは困難であるため、モデリングとシミュレーションは、ナノスケールでのナノ材料およびプロセスを研究するためのさらに重要な方法となっています。計算ナノテクノロジーでは、メソスケール現象のメカニズムの説明と新たな材料のマクロ特性の予測を可能にする、さまざまな長さと時間スケールに対する新しい統合アプローチを開発する必要があります。
宇宙環境の影響によって引き起こされる材料特性の変化は、原子や分子のサイズからマクロオブジェクトのサイズまで、さまざまな空間スケールに関連する構造パラメーターとプロセスによって決定されます。さまざまなシミュレーション方法がありますが、そのほとんどは基礎となる近似のため、特別な空間と時間の範囲/スケールにのみ適用できます。宇宙環境への影響に対するナノ構造材料の耐久性を推定するには、非常に短い時間間隔内での入射原子/粒子とナノサイズ構造との相互作用の基本的な影響と、その結果として観察される材料の損傷や特性の変化の影響の両方を調査する必要があります。ミクロスケールおよびマクロスケールで、はるかに長い期間内に。したがって、一般に、一連の基本プロセスとその結果として生じる効果を研究するには、マルチスケール シミュレーション アプローチを適用する必要があります。
この文書の主な概念は次のとおりです。
- 主要な宇宙環境コンポーネントが最も重要な空間スケールと時間スケールを選択するため。
- 各スケールについて、特定の宇宙環境要素の影響下でナノ構造材料内で発生し、選択したスケールにとって基本的なプロセスと見なすことができる最も重要な物理的および化学的プロセスを選択します。
- すべてのプロセスで、宇宙環境条件下でのシミュレーションに使用できる方法 (または方法のグループ) を決定します。
- 選択した各方法について、必要かつ可能な近似と、特定のプロセスのシミュレーションに使用する場合の制限を説明します。
Introduction
In the near future nanomaterials and nanoelements will be widely applied in spacecraft and space engineering. Nanomaterials superiority in mechanical, thermal, electrical and optical properties over conventional materials will evidently inspire a wide range of applications in the next generation spacecraft intended for the long-term (~15 to 20 years) operation in near-Earth orbits and the automatic and manned interplanetary missions as well as in the construction of inhabited bases on the Moon.
The near-Earth’s space is described as an extreme environment for materials due to high vacuum, space radiation, hot and cold plasma, micrometeoroids and space debris, temperature differences, etc. Existing experimental and theoretical data demonstrate that nanomaterials response to various space environment effects can differ substantially from the one of conventional bulk spacecraft materials. Therefore, it is necessary to determine the space environment components, critical for nanomaterials, and to develop novel methods of the mathematical and experimental simulation of the space environment impact on nanomaterials.
Modelling is a very important scientific tool for explaining various phenomena and predicting the behaviour of existing and designing materials under different conditions. In the case of nanotechnologies, modelling and simulations become even a more significant method of studying nanomaterials and processes in the nanoscale due to difficulties of observing and measuring many nanoscale phenomena experimentally. In computational nanotechnology, it is necessary to develop new integrated approaches for different length and time scales that enable explaining mechanisms of mesoscale phenomena and predicting emerging material macro-properties.
The changes in the materials properties, caused by the space environment impact, are determined with structural parameters and processes that are related to different spatial scales: from the size of atoms and molecules to the size of macroobjects. There are a variety of simulation methods but most of them can be applied only for a special space and time range/scale because of underlying approximations. To estimate the durability of nanostructured materials to the space environment impact it is necessary to investigate both fundamental effects of incident atom/particle interaction with nanosized structures within very short time intervals and resulting effects of material damage and changes in their properties, that can be observed at micro- and macroscale within much longer periods. Thus, in general case to study the whole set of elementary processes and resulting effects it is necessary to apply the multiscale simulation approach.
The main concept of this document is:
- for main space environment components to choose the most important space and time scales;
- for every scale to choose the most important physical and chemical processes that occur in nanostructured materials under the influence of the given space environment component and can be considered as elementary for the chosen scale;
- for every process to determine a method (or a group of methods) that can be used for their simulations under space environment conditions;
- for every chosen method to describe necessary and possible approximations as well as its limitation when used for simulation of the given process.