Elektrisk fast drivmiddel:Kan det tage varmen?

Elektriske faste drivmidler udforskes som en sikrere mulighed for pyroteknik, minedrift, og fremdrift i rummet, fordi de kun antændes med en elektrisk strøm. Men fordi alle disse applikationer kræver høj varme, det er vigtigt at forstå, hvordan de høje temperaturer ændrer drivmidlernes kemi. Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign, Missouri University of Science and Technology, og NASA brugte en computermodel, der simulerer de termokemiske egenskaber af højtemperaturmaterialer til at forudsige termokemien af ​​et nyt højtydende elektrisk fast drivmiddel.

"I ablation pulserede plasma thrustere, der er et højtemperaturplasma ved siden af ​​overfladen af ​​det elektriske faste drivmiddel. Varmen medfører, at små mængder af drivmidlet fjernes fra eller ableres fra overfladen og fordampes. Dette ablerede materiale accelereres derefter til høje hastigheder for at drive raketten frem. Imidlertid, den høje temperatur ændrer også den kemiske sammensætning af materialet. Vi havde ikke den kemiske sammensætning information før nu, " sagde Joshua Rovey, lektor ved Institut for Luftfartsteknik i Grainger College of Engineering ved U of I.

Hvor varmt taler vi om? Som et eksempel, 12, 000 grader Kelvin er temperaturen på overfladen af ​​en stjerne. Modellen simulerede temperaturer fra 500 til 40, 000 grader Kelvin.

Ved disse høje temperaturer, det faste drivmiddels kemi ændres. Det konventionelle teflonmateriale består af to carbonatomer og fire fluorstoffer, der er bundet til hinanden. Mens den aftager, det bliver så varmt, at molekylerne adskiller sig. Kulstof og fluor løsnes fra hinanden.

"Det er så varmt, at elektroner kommer fra disse atomer, " sagde Rovey. "Nu har du negativt ladede elektroner, der bevæger sig rundt og positivt ladede ioner, der forbliver som en væske. Den varme gas udstødes fra thrusteren ved høje hastigheder, der genererer fremdrift og fremdrift af rumfartøjer. Dette arbejde er en numerisk model til at forudsige termodynamikken og ligevægten af ​​dette drivmiddel, når det fordamper og er ved disse høje temperaturer."

Forskningen begyndte med en tidligere udviklet numerisk model for Teflon-materialet og data for at give et benchmark. Efter at have bekræftet, at de simulerede Teflon korrekt, forskerne brugte den samme model, men ved at bruge inputbetingelser for det højtydende elektriske drivmiddel til at forudsige dets ledningsevne og ionisering ved de samme temperaturer som teflon.

Et primært uddrag fra undersøgelsen er, at det højtydende elektriske drivmiddel har en højere entalpi - energi lagret i gassen - ved disse ekstreme temperaturer.

"Vi har muligvis flere af det, der kaldes frosne strømningstab forbundet med dette materiale end med teflon, " sagde Rovey. "Det højtydende elektriske drivmiddel gemmer mere energi internt i gassen. Til fremdrift, vi ønsker, at energien går til at accelerere gassen. Vi ønsker ikke at lægge en masse energi i disse interne tilstande. Ja, den laver virkelig varm gas, men vi vil have højhastighedsgas.

"Det er en af ​​ulemperne ved at bruge det - at lagre mere energi i disse interne tilstande reducerer effektiviteten. Hvad denne forskning viste, er, at årsagen grundlæggende skyldes materialets termokemi - sammensætningen af ​​atomer og molekyler i højtydende elektrisk drivmiddel, og hvordan de reagerer på intens varme og høje temperaturer."

Rovey sagde, at oplysningerne fra dette arbejde kan anvendes på andre faste drivmidler, såsom pyroteknik eller ved laserablation.

"Uanset om det er en ablationsfodret pulserende plasma-thruster, en laser ablaterer en overflade, eller en anden energiaflejringsteknik, vi studerer simpelthen, hvordan dette materiale opfører sig ved forskellige temperaturer - hvordan dets kemiske sammensætning ændrer sig."

Studiet, "Termodynamiske egenskaber af hydroxylammoniumnitrat-baseret elektrisk fast drivmiddelplasma, " vises i Journal of Thermophysics and Heat Transfer .