3-D katalysatorer til forbedrede hydrazinfrie drivmidler

Hydrazin, et af de mest udbredte flydende drivmidler til rumfremdrivningssystemer, er også ekstremt giftig. EU-forskere har udviklet 3D-katalysatorer til antændelse af alternative drivmidler.

Hydrazin er meget giftigt, ætsende, og kræftfremkaldende for levende organismer. I 2011 Europa-Kommissionen inkluderede hydrazin blandt kandidaterne til listen over meget problematiske stoffer, som er reguleret af REACH-rammen (Registration of Evaluation Authorization and Restriction of Chemicals). Siden da, universiteter, forskningsinstitutter og industrier over hele Europa har aktivt udforsket og testet ikke-giftige drivmidler som en mulig erstatning for hydrazinbaserede drivmidler.

Et af de projekter, der har fokuseret på alternative drivmidler til rumfremdrivningssystemer, var Rheform-projektet. Finansieret af EU, forskere arbejdede på at forbedre drivmidler baseret på ammoniumdinitramid (ADN). Udskiftning af hydrazin med nye drivmidler vil gøre rumfremdrift mere bæredygtig til fremtidige missioner.

At overvinde aktuelle udfordringer

Selvom alternative drivmidler besidder egenskaber, der gør dem yderst ønskværdige til brug i løfteraket og rumfartøjer, disse fordele kommer med begrænsninger. Forbrændingstemperaturen af ​​LMP-103S – en blanding af ADN, vand, methanol og ammoniak – er 1600 °C, meget højere end hydrazin, hvilket er omkring 900 °C. For at modstå sådanne temperaturer, forbrændingskamre bruger specielle materialer, der overholder visse kriterier i International Traffic in Arms Regulations (ITAR) i USA.

Et andet stort problem er, at den katalysator, der bruges til at nedbryde og antænde det alternative drivmiddel, skal opvarmes før antændelse. Katalysatoren er i øjeblikket elektrisk forvarmet til en temperatur på ca. 350°C, som tager omkring 30 minutter før affyring, for at sikre nedbrydning af drivmidlet. Så lang fortændingstid er problematisk i nødsituationer, hvor en hurtig tænding er påkrævet.

"Rheform-teamet har derfor fokuseret på at syntetisere katalysatorer, der kræver lavere temperaturer til forvarmning, og tilpasse de nuværende eksisterende ADN-baserede drivmidler, så de materialer, der anvendes i forbrændingskammeret, er kompatible med eksisterende materialer, der er tilgængelige i Europa, " påpeger Dr. Michele Negri. For at nå dette mål, udviklingsaktiviteter blev gennemført både på katalysatorudvikling og katalytisk tænding.

Mulighed for at sænke antændelsestemperaturen

Forskernes mål var at bygge et nedbrydningskammer til drivmidlet, der er i stand til 'koldstart'. Snart nok, efter at have testet 40 forskellige katalysatorer i en batch-reaktor, holdet indså, at vandindholdet i drivmidlerne skulle fordampes, før de kom i kontakt med antændelseskilden. Fordampningen blev opnået ved at placere en varmeleje ved indgangen til forbrændingskammeret. Nogle af katalysatorerne havde antændelsestemperaturer lige over 100°C. Som Dr. Negri siger, "Planen om at udvikle et katalytisk system, der er i stand til en fuldstændig koldstart, blev ikke anset for at være mulig."

Forskere har udforsket to forskellige slags katalysatorer:katalysatorpellets lavet af store korn og monolitiske strukturer mønstret med indre kanaler, der tillader drivmidlet at flyde. Monolitstrukturer er bygget af keramiske materialer. Projektteamet udførte adskillige simuleringer for korrekt at forstå indvirkningen af ​​materialeegenskaber på katalysatorstrukturens ydeevne for i sidste ende at bygge et effektivt nedbrydningskammer.

Blandt de mange testede typer keramik, forskere udvalgte hexaluminatstrukturer for deres fremragende modstandsdygtighed over for høje temperaturer og termiske stød. En anden nyhed introduceret af Rheform er 3-D-print af disse keramiske strukturer. 3-D-print tillod dem at producere monolitter med en meget kompleks geometri. "Dette er første gang, at 3-D-printet keramik som hexaaluminatstrukturer bruges til drivmidler, " siger Dr. Negri.

Alternative drivmidlers sande potentiale

Både europæiske og amerikanske rumfartsorganisationer har vurderet grønne drivmidler til fremdriftssystemer som en højprioritet teknologi. Hovedmålet med Rheform var at forbedre ydeevnen, reducere omkostningerne og minimere eksponeringen for skadelige stoffer med nye miljøvenlige flydende drivmidler.

Som Dr. Negri forklarer, "En af de store fordele ved drivmidler som alternativ til hydrazin er, at de er sikrere, samtidig med at kompleksiteten og omkostningerne ved test reduceres, Forsendelse, håndtering og søsætning." Alt i alt, 13 SkySat-satellitter blev opsendt fra 4 forskellige steder, hvilket klart viser, at sådanne hydrazinfrie drivmidler tillader operationsfleksibilitet og tillader opsendelse af rumfartøjer fra forskellige steder.