Simulação cinética de plumas de plasma via método particle-in-cell com colisões de Monte Carlo

Abstract

A crescente adoção de sistemas de propulsão elétrica em missões espaciais é impulsionada pela capacidade desses dispositivos de alcançar elevados valores de impulso específico, reduzindo significativamente a massa de propelente necessária em uma missão. No entanto, a operação de propulsores elétricos introduz desafios relacionados à interação entre a pluma de plasma e os componentes da espaçonave, incluindo erosão de superfícies, contaminação de painéis solares e interferência em sistemas de comunicação. A simulação numérica representa uma ferramenta importante para compreender esses fenômenos e otimizar o projeto de sistemas propulsivos. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e validação da biblioteca Spark, uma ferramenta em C++ para simulação cinética de plasmas baseada no método Particle-In-Cell acoplado a Colisões de Monte Carlo (PIC/MCC). A biblioteca foi implementada para operar em coordenadas cartesianas bidimensionais e cilíndricas, com arquitetura modular que facilita a extensão e manutenção do código. A validação foi realizada através da reprodução dos casos de benchmark de descargas capacitivas de baixa pressão em hélio descritos por TURNER et al. (2013), demonstrando excelente concordância com os dados de referência, com Erro Relativo Médio inferior a 1% para a geometria cartesiana. Simulações da expansão de plumas de xenônio foram conduzidas em ambas as geometrias, permitindo a caracterização detalhada dos perfis de densidade, potencial eletrostático e distribuições de velocidade. Os resultados revelaram que a formulação cartesiana reproduz com precisão o desempenho teórico ideal. A implementação cilíndrica obteve concordância similar no empuxo e apresentou perfis de densidade de partículas consistentes com a geometria cartesiana. Esta equivalência nas representações confirma que a física fundamental do plasma foi adequadamente capturada em ambos os sistemas de coordenadas. A biblioteca Spark fornece uma plataforma de código aberto e modular para simulações cinéticas de plasmas aplicadas à propulsão elétrica espacial, com a capacidade de operar em diferentes sistemas de coordenadas com resultados fisicamente equivalentes.