Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Grønnere brændstoffer til at drive raketopsendelser ud i rummet

Hydrazin, det mest almindelige raketdrivmiddel, er på EU’s liste over særligt problematiske stoffer. Kredit:NASA/Joel Kowsky, licenseret under CC BY-NC-ND 2.0, flickr.com/photos/nasahqphoto/23400755339/

Viser sig, grønne brændstoffer er raketvidenskab.

Rumudforskning kan have givet os billeder af vores uberørte, blå planet Jorden og øget bevidsthed om at beskytte vores miljø, men det er ikke godt, hvis de raketter, der får os til at kredse, er baseret på gamle, giftige drivmidler.

I årtier, det mest almindelige raketdrivmiddel har været hydrazin, en giftig forbindelse af nitrogen og brint, der er på EU's liste over særligt problematiske stoffer. Det er også den mistænkte årsag til unormalt høje forekomster af hormon- og blodsygdomme omkring Baikonur-raketopsendelsesstedet i Kasakhstan.

Det er derfor, forskere ved German Aerospace Center (DLR) i Lampoldshausen arbejder på nye, grønnere brændstoffer, der kan fremtidssikre rumudforskningsmetoder og gøre dem miljøvenlige.

Indsatsen er centreret omkring en forbindelse kendt som ammoniumdinitramid (ADN), som ved opvarmning kun nedbrydes til nitrogen, ilt, og vand.

"ADN var et oxidationssalt først fundet i Sovjetunionen, men blev genopdaget i Sverige i 1990'erne, hvor de havde idéen til at udvikle det til et flydende drivmiddel, " sagde Dr. Michele Negri, leder af et rumfremdrivningsprojekt kaldet RHEFORM.

Problemet er, at ADN er et salt, så den er solid. Mens det kan opløses i andre brændstoffer som methanol eller ammoniak, det kræver en høj temperatur - mere end 1500ºC - at antænde den.

"Hydrazin-thrustere kræver ikke forvarmning, hvis du bare åbner ventilerne så begynder de at skyde. På den anden side, med en ADN thruster, hvis du bare åbner ventilen, vil blandingen komme ud i flydende form. Den ville ikke reagere, " sagde Dr. Negri.

RHEFORM-projektet så på det ADN-baserede drivmiddel LMP-103S, der blev brugt af et svensk rumfartsselskab kaldet ECAPS, som var projektpartner og allerede har lanceret 13 fremdrivningssystemer baseret på forbindelsen.

Nem tænding

For at løse problemet med let antændelse, projektet så på at udvikle en bedre, mere reaktiv katalysator, så brændstoffet kunne reagere ved stuetemperatur. Hydrazin fulgte samme vej til tidlig udvikling.

"I begyndelsen i 60'erne var de ikke i stand til at skyde ved stuetemperatur, men så udviklede de en katalysator, der var god nok, " sagde Dr. Negri.

Sådanne katalysatorer virker ved at øge overfladearealet for reaktioner, der kan finde sted, gør det lettere for dem at opstå ved lavere temperaturer, eller eventuelt ved at tilføje en forbindelse som et metal for at øge reaktiviteten.

"Katalysatoren i pelletform var kun sammensat af en bærer (fase), som er selve pillerne – typisk et keramisk materiale med et højt specifikt overfladeareal, " sagde han. "Oven i det kan du placere en aktiv fase, som typisk er et metal."

Efter at have testet mange materialer, raketforskerne fandt ud af, at hexaluminat ville være det bedste basismateriale.

Men hvad nu hvis simple pellets kunne forbedres til at have et endnu mere ideelt overfladeareal for at gøre dem mere reaktive?

3-D print

At finde ud af, de brugte computermodellering og 3-D-print til at skabe komplekse bikagelignende strukturer kendt som monolitter, og dermed øge overfladearealet.

"Dette blev dybest set gjort i bilindustrien (ved at skabe katalysatorer), udskiftning af pellets med en monolitisk struktur.

Med knowhow fra vores projektpartner (3-D printfirma) LITHOZ, vi var i stand til at printe meget komplicerede strukturer i keramik, og så brug det som en katalysator, " sagde Dr. Negri.

Katalysatorkeramikken sidder inde i trykkammeret på en raketmotor, hvilket drivmiddel sprøjtes igennem, inden det går ud af motordysen under opsendelsen.

"Vi var i stand til at få dem til at reagere under laboratorieskala, lige over en temperatur på 100 grader, " sagde han. "Det ideelle ville være, hvis de kunne starte under normale miljøforhold, kræver ingen form for forvarmning."

Dr. Negri siger, at det næste skridt for at opnå stuetemperaturantændelse af ADN sandsynligvis ville være at bruge drivmidler, der ikke indeholder vand.

Vand gør drivmidler mere stabile, og sikrere at sende, men det gør dem også mindre reaktive.

"Man kan lege meget med sammensætningen for at finde en god afvejning mellem forskellige faktorer, for eksempel ydeevne, som specifik impuls, opbevaringsevne, eller eksplosivitet, " han sagde.

Billigere

Ud over at være grønnere, ADN kunne også være billigere. "At tanke en satellit med LMP-103S er meget nemmere end hydrazin, da du ved den første lancering kun har brugt en tredjedel af den nødvendige arbejdskraft til den mere farlige hydrazin, " he said. Even if the propellant is a little more costly, the total life cost could be lower, Dr. Negri adds.

US space agency NASA, which was not involved in the RHEFORM project, agrees that there is a need for greener rocket fuels and is working on a safer-to-handle propulsion system.

"While effective, hydrazine is highly toxic and requires special measures be taken for proper handling, " said Dayna Ise, programme executive of NASA's Technology Demonstration Missions.

"Non-toxic, "green" propellant and compatible systems offer a safer and more efficient alternative for the next generation of launch vehicles and spacecraft."


Varme artikler