Étude des collisions entre molécules électron-iode pour la propulsion spatiale électrique

Study of electron-iodine molecule collisions for electric space propulsion

• Auteur / Autrice : García Alejandro
• Direction : Nicolas Sisourat, Mašín Zdeněk
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique-matière et rayonnement

Mots clés

Mots clés libres

Collisions d'électrons

Composés d'iode

R-matrice

Sections efficaces

Couplage Spin-orbite

Simulations de plasma

Electron Collisions

Iodine Compounds

R-matrix

Cross Sections

Spin-orbit Coupling

Plasma Simulations

Résumé

Les données sur les sections efficaces de diffusion des électrons pour les composés d'iode sont importantes pour les simulations de plasma et les applications de propulsion électrique. En effet, les développements récents dans les propulseurs électriques à base d'iode ont entraîné un besoin croissant de sections efficaces de collision des électrons. Par exemple, dans les propulseurs à effet Hall, les électrons émis par la cathode interagissent avec le gaz provenant de l'anode. Par conséquent, les études des processus induits par les électrons sont cruciales pour améliorer la modélisation du plasma d'iode et ainsi faire progresser la performance des propulseurs électriques à base d'iode. Les collisions d'électrons avec I et I2 ont été récemment étudiées par Quantemol Ltd. Cependant, les effets de couplage spin-orbite ont été négligés dans ce travail. Ces derniers sont pourtant susceptibles d'être significatifs dans les composés d'iode. Des calculs précis des sections efficaces de diffusion des électrons doivent donc prendre en compte les effets relativistes. L'objectif de ce projet de doctorat est d'implémenter les effets de couplage spin-orbite dans le package UK-Rmol+. Ce dernier est une mise en œuvre efficace de l'approche R-matrix pour la diffusion électron-molécule. Avec ce nouveau code, l'étudiant en doctorat étudiera les processus se produisant lors des collisions électron-molécule d'iode. Pour atteindre les objectifs du projet de doctorat, l'étudiant sera co-supervisé par le chercheur principal de Sorbonne Université (N. Sisourat) et par le Dr Zdeněk Mašín de l'Université Charles. Le Dr Zdeněk Mašín est le principal développeur du package UKRmol+ et il est un expert des processus de diffusion des électrons. Il convient de noter que Sorbonne Université et l'Université Charles sont des partenaires majeurs de l'Alliance 4EU+. Le projet proposé initiera une nouvelle collaboration entre les deux groupes et renforcera ainsi les liens entre les deux universités. En outre, l'étudiant en doctorat bénéficiera de la collaboration en cours avec le Dr Anne Bourdon, du Laboratoire Physique des Plasmas. Le Dr Anne Bourdon possède une expertise reconnue dans les simulations de plasma et plus particulièrement dans le plasma d'iode. Quantemol Ltd. a une longue histoire, depuis 2004, en tant que fournisseur de données de diffusion des électrons pour des applications industrielles. L'entreprise nous guidera, ainsi que l'étudiant, sur le type et le format des données nécessaires pour les applications pratiques. L'entreprise est prête à intervenir avec une contribution financière en cas d'opportunité de commercialiser les résultats de la recherche. L'expertise complémentaire de nos groupes de recherche et la connexion avec l'industrie sont un atout majeur du projet. *Le premier lancement d'un satellite utilisant du plasma d'iode a eu lieu récemment (le 6 novembre 2020) avec un propulseur développé par la start-up française ThrustMe sur un satellite de la société aérospatiale chinoise SpaceTy.

Electron-scattering cross-section data for iodine compounds are important for plasma simulations and electric propulsion applications. Indeed, recent developments in iodine-based electric thrusters* resulted in an increasing need for electron collision cross sections. For example, in Hall-effect thrusters electrons emitted from the cathode interact with the gas from the anode. Therefore, studies of electron-driven processes are crucial to improve the modeling of iodine plasma and thus to advance the performance of iodine-based electric propulsion thrusters. Electron collisions with I and I2 have been recently investigated in by Quantemol Ltd. However, spin-orbit coupling effects were neglected in this work. The latter effects are expected to be significant in iodine compounds. Accurate calculations of electron-scattering cross sections should therefore take relativistic effects into account. The aim of this PhD project is to implement the spin-orbit coupling effects in the UK-Rmol+ package. The latter is an efficient implementation of the R-matrix electron-molecule scattering approach. With this new code, the PhD student will investigate the processes taking place in electron-iodine molecule collisions. To achieve the goals of the PhD project, the student will be co-supervised by the principal investigator at Sorbonne Université (N. Sisourat) and by Dr Zdeněk Mašín from Charles University. Dr Zdeněk Mašín is the main developer of the UKRmol+ package and he is an expert in electron-scattering processes. It should be noted that Sorbonne Université and Charles University are major partners in the 4EU+ Alliance. The proposed project will initiate a new collaboration between the two groups and therefore strengthen the links between the two universities. Furthermore, the PhD student will benefit from the undergoing collaboration with Dr Anne Bourdon, from Laboratoire Physique des Plasma. Dr Anne Bourdon has a recognized expertise in plasma simulations and especially in iodine plasma. Quantemol Ltd. has a long history, since 2004, as the provider of electron scattering data for industrial applications. The company will guide us and the student on the type and format of data needed for practical applications. The company is prepared to step in with a financial contribution in case an opportunity to commercialize the results of the research appears. The complementary expertise of our research groups and the connection with industry is a major asset of the project. *The first launch of a satellite using iodine plasma took place recently (on November 6, 2020) with a thruster developed by the French start-up ThrustMe on a satellite of the Chinese aerospace company SpaceTy.