Design af højtydende hypergoliske drivmidler til rumraketter baseret på materialernes genom

En ny generation af raketdrivmidler til udforskning af det dybe rum, såsom ioniske flydende drivmidler med lang holdbarhed og høj stabilitet, tiltrækker betydelig opmærksomhed. Imidlertid, ioniske flydende drivmidler er stærkt begrænset af deres utilstrækkelige hypergoliske (spontane antændelse) reaktivitet mellem brændstoffet og oxidanten, hvor denne defekt kan forårsage lokal udbrændthed og utilsigtede eksplosioner under raketopskydning. I en ny rapport, Wen-Li Yuan og et forskerhold i kemi ved Sichuan University i Kina og Idaho University i USA har foreslået en visuel model til at demonstrere egenskaber ved drivmidler for at estimere deres ydeevne og anvendelser. Materialernes genom og visualiseringsmodellen af ​​drivmidlerne forbedrede i høj grad effektiviteten og kvaliteten af ​​at udvikle ydeevne drivmidler med applikationer til at opdage nye og avancerede funktionelle molekyler inden for energiske materialer. Værket er nu udgivet i Videnskabens fremskridt .

Rumudforskning og materialegenommetoden.

En nyere strategi for at opdage nye materialer præsenterer en metode baseret på "materiales genomer, " som er afhængig af big data-analyse af målmaterialers strukturer og egenskaber for at opdage nye materialer. Forskere sigter mod at konstruere kunstig intelligens-programmer og screening for at analysere et stort antal mulige strukturer i en kort tidsramme ved hjælp af metoden. Yuan et al. materialegenommetoden i dette arbejde til at forudsige det mest sandsynlige hypergoliske additiv. Mennesker har altid været fascineret af rumudforskning og har forestillet sig at rejse gennem rum-tid, selvom teknologiske grænser har tilbageholdt denne ambition i tusinder af år. På nuværende tidspunkt, højtydende rumfartøjer er under udvikling med moderne teknologier til at opnå bemandet og ubemandet rumnavigation inden for lav jordbane og på tværs af vores solsystem.

Kemisk energi frigivet af et drivmiddel (raketbrændstof) danner kraftkilden til raketter og rumfartøjer, og kan bestemme et rumfartøjs højdeområde og levetid. Eksempler omfatter Atlas-Centaur-raketten baseret på flydende dihydrogen og iltbrændstof, på vej til Mars og Venus, samt Long March 3B-raketten indeholdende UDMH (usymmetrisk dimethylhydrazin)/dinitrogentetroxid til månen. Imidlertid, disse højtydende raketdrivmidler eller brændstoffer er begrænset af høj toksicitet og nedbrydning, sideløbende med deres stabile eksistens kun ved ekstremt lave temperaturer. Behovet for en effektiv og systematisk metode til at designe højtydende hypergoliske additiver eksisterer derfor. Materialegenommetoden kan reducere den undersøgelsesperiode, der kræves for at udvikle sådanne nye materialer.

Etablering af en genomdatabase for hypergoliske materialer

At etablere en genomdatabase for hypergoliske materialer, holdet identificerede nøglestrukturer af hypergoliske forbindelser og udforskede deres struktur-aktivitetsforhold. En hypergolisk reaktion er en eksoterm redoxreaktion (dvs. forbrænding), hvor komponenter spontant kan antændes ved kontakt i en raketbrænder. Sådanne forbindelser er typisk fremstillet af gasgenererende elementer, såsom carbon og nitrogen. Meget ligesom forholdet mellem genet og dets basepar, forskelligartet brint (H), kulstof (C), nitrogen (N) og andre grundstoffer udgør en række hypergoliske funktionelle grupper og rammer for at generere hypergoliske forbindelser som egnede raketdrivmidler. Materialerne skulle have en tændingsforsinkelse, en høj forbrændingsentalpi og en høj specifik impuls til at bestemme raketters samlede energi nyttelastkapacitet. Drivmiddeltilsætningsstoffer skal også være stabile og kompatible. Baseret på disse krav, Yuan et al. tilvejebragt en direkte metode til at identificere nøglestrukturer af hypergoliske additiver ud fra grundstofsammensætningen af ​​deres funktionelle strukturer.

Nitrogen og kulstofrige energiske drivmidler

Nitrogenrige energiske drivmidler kan øge energien ud over traditionelle brændstoffer for at forbedre den specifikke impuls fra raketbrændstoffer. Ved at bruge eksisterende litteratur, forskerne fandt sammenhængen mellem mere end 1000 drivmidler og deres blandinger for at forstå sammenhængen mellem deres grundstofsammensætning og termiske nedbrydningsegenskaber. Drivmidler indeholdende 30 til 50 procent nitrogenindhold havde den højeste termiske stabilitet med nedbrydningstemperaturer på over 200 grader Celsius. Forskerne udledte et passende nitrogenindhold for at opfylde de specifikke krav og termisk stabilitet for højtydende drivmidler. Indholdet af kulstofelementer genererede også betydelige mængder af forbrændingsvarme og gasformig kuldioxid, der var nødvendigt for rumfartøjers fremdrift for at give tilstrækkelig kemisk energi til at overvinde tyngdekraften. Baseret på entalpi af forbrænding mellem kulstof og nitrogen, entalpien af ​​drivmiddelforbrænding var positivt relateret til kulstofindholdet. For at designe drivmidlerne, holdet kombinerede grænserne for nitrogenelementer i drivmidler med det højeste tilladte kulstofindhold for at opnå den bedste ydeevne for specifik impuls og forbrændingsentalpi.

Strukturel sammensætning og kvanteanalyse

Den strukturelle sammensætning var et andet nøgletræk ved højtydende drivmidler til at bestemme deres stabilitet, antændelsesadfærd og biologisk toksicitet. Ioniske væsker sammensat af kationer og anioner har unikke fordele ved blandbarhed, volatilitet, hypotoksicitet og termisk stabilitet for i høj grad at reducere risikoen for at udsætte operatøren for aerosoler og deflagration. Ved hjælp af en screeningsmetode, Yuan et al. givet grundlæggende vejledning til hurtigt at designe og identificere målforbindelser og overvejet andre vigtige indikatorer, inklusive hypergolisk reaktivitet og tæthed, at vælge den bedste præstationsstruktur.

Holdet udførte derefter kvanteanalyse ved at undersøge molekylær orbital (MO) teori om anioner som et kriterium til at bestemme hypergolicitet og testede 15 anioner, hvoraf (1-methylhydrazinyl)tetrazolat (MHT) ioniske væsker opfyldte alle krav til hypergoliske tilsætningsstoffer. Genomdatabasen og screeningsprocessen var derfor afsluttet. Yuan et al. studerede derefter strukturen og de fysisk-kemiske egenskaber af MHT-ioniske væsker, herunder densiteten, termisk stabilitet og detonationsegenskaber. I øvrigt, det 1-butyl-3-methylimidazolium-kation (Bmim+)-baserede MHT-brændstof havde den højeste termiske nedbrydningstemperatur, over 200 grader Celsius, som var sikkert under ekstreme forhold i rummet. Holdet testede også to yderligere (Bmim+)-baserede drivmidler, herunder Bmim-baseret dicyanamid (BmimDCA) og Bmim 5-aminotetrazol (BmimAT) ioniske væsker.

Outlook – højtydende drivmidler

Da toksicitet var et alvorligt problem for drivmidler, holdet testede toksiciteten af ​​de ioniske væsker ved hjælp af en Vibrio fischeri-bakterie, der kan bestemme materialers miljøacceptabilitet og toksikologiske parameter. De kombinerede BmimMHT/BmimDCA ioniske væsker var fordelagtige som grønne drivmidler sammenlignet med traditionelle brændstoffer. Den ioniske DCA-væske var mere unik i forhold til toksicitet, stabilitet og volatilitet. Baseret på vejledningen i materialegenommetoden for drivmidler, Yuan et al. kombinerede den DCA ioniske væske med BmimMHT, at kompensere for utilstrækkelig hypergolisk adfærd ved DCA.

På denne måde Wen-Li Yuan og kolleger designet en tidligere urealiseret familie af højtydende drivmidler ved at bruge drivstofmaterialernes genommetode. Den ioniske MHT-væske løste med succes antændelsesadfærden for de DCA-ioniske væsker. Designstrategien opsummerede struktur-aktivitetsforholdet mellem drivmidler kombineret med stabilitet, hypergolicitet og toksicitet i en først-i-studie materialegenommetode integreret inden for drivmidler. Genommetoden vil guide og fremme det molekylære design og anvendelse af nye materialer til udvikling af nye højtydende drivmidler.

© 2020 Science X Network