Blijkt, groene brandstoffen zijn raketwetenschap.

Ruimteverkenning heeft ons misschien foto's gegeven van onze ongerepte, blauwe planeet Aarde en verhoogde het bewustzijn om ons milieu te beschermen, maar dat is niet goed als de raketten die ons in een baan om de aarde brengen gebaseerd zijn op oude, giftige drijfgassen.

Al decenia, de meest voorkomende raketbrandstof is hydrazine, een giftige verbinding van stikstof en waterstof die op de EU-lijst van zeer zorgwekkende stoffen staat. Het is ook de vermoedelijke oorzaak van abnormaal hoge aantallen hormonale en bloedstoornissen rond de Baikonoer-raketlanceerplaats in Kazachstan.

Daarom werken wetenschappers van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) in Lampoldshausen aan nieuwe, groenere brandstoffen die methoden voor ruimteverkenning toekomstbestendig en milieuvriendelijk maken.

De inspanningen zijn gecentreerd rond een verbinding die bekend staat als ammoniumdinitramide (ADN), die bij verhitting uiteenvalt in alleen stikstof, zuurstof, en water.

"ADN was een oxiderend zout dat voor het eerst werd gevonden in de Sovjet-Unie, maar werd in de jaren negentig herontdekt in Zweden, waar ze het idee hadden om het te ontwikkelen tot een vloeibaar drijfgas, " zei dr. Michele Negri, leider van een ruimtevoortstuwingsproject genaamd RHEFORM.

Het probleem is dat ADN een zout is, dus het is stevig. Hoewel het kan worden opgelost in andere brandstoffen zoals methanol of ammoniak, er is een hoge temperatuur nodig - meer dan 1500ºC - om het te ontsteken.

"Hydrazine boegschroeven hoeven niet voorverwarmd te worden, als je gewoon de kleppen opent, beginnen ze te vuren. Anderzijds, met een ADN boegschroef als je gewoon de klep opent, zou het mengsel in vloeibare vorm naar buiten komen. Het zou niet reageren, ' zei dokter Negri.

In het RHEFORM-project werd gekeken naar het op ADN gebaseerde drijfgas LMP-103S dat wordt gebruikt door een Zweeds ruimtevaartbedrijf genaamd ECAPS, die een projectpartner was en al 13 voortstuwingssystemen heeft gelanceerd op basis van de compound.

Gemakkelijke ontsteking

Om het probleem van gemakkelijke ontsteking aan te pakken, het project keek naar de ontwikkeling van een betere, reactievere katalysator zodat de brandstof bij kamertemperatuur kon reageren. Hydrazine volgde hetzelfde pad van vroege ontwikkeling.

"Zeker in het begin in de jaren '60 waren ze niet in staat om op kamertemperatuur te vuren, maar toen ontwikkelden ze een katalysator die goed genoeg was, ' zei dokter Negri.

Dergelijke katalysatoren werken door het oppervlak voor reacties te vergroten, waardoor ze gemakkelijker kunnen optreden bij lagere temperaturen, of mogelijk door toevoeging van een verbinding zoals een metaal om de reactiviteit te verhogen.

"De katalysator in korrelvorm bestond alleen uit een drager (fase), dat zijn de pellets zelf - meestal een keramisch materiaal met een hoog specifiek oppervlak, " zei hij. "Daarbovenop kun je een actieve fase plaatsen, dat is typisch een metaal."

Na het testen van veel materialen, de raketwetenschappers ontdekten dat hexaaluminaat het beste basismateriaal zou zijn.

Maar wat als eenvoudige pellets kunnen worden verbeterd om een ​​nog ideaaler oppervlak te hebben om ze reactiever te maken?

3d printen

Er achter komen, ze gebruikten computermodellering en 3D-printen om complexe honingraatachtige structuren te creëren die bekend staan ​​als monolieten, en zo het oppervlak te vergroten.

"Dit werd in feite gedaan in de auto-industrie (bij het maken van katalysatoren), het vervangen van de pellets door een monolithische structuur.

Met de knowhow van onze projectpartner (3-D drukkerij) LITHOZ, we waren in staat om zeer gecompliceerde structuren in keramiek te printen, en dat dan als katalysator gebruiken, ' zei dokter Negri.

De katalysatorkeramiek zit in de stuwkrachtkamer op een raketmotor, waar drijfgas doorheen wordt geïnjecteerd voordat het tijdens de lancering uit het mondstuk van de motor komt.

"We waren in staat om ze op laboratoriumschaal te laten reageren, net boven een temperatuur van 100 graden, " zei hij. "Het ideaal zou zijn als ze zouden kunnen starten in normale omgevingsomstandigheden, waarvoor geen voorverwarming nodig is."

Dr. Negri zegt dat de volgende stap voor het bereiken van ADN-ontsteking bij kamertemperatuur waarschijnlijk het gebruik van drijfgassen zou zijn die geen water bevatten.

Water maakt drijfgassen stabieler, en veiliger om te verzenden, maar het maakt ze ook minder reactief.

"Je kunt veel spelen met de compositie om een ​​goede afweging te maken tussen verschillende factoren, bijvoorbeeld prestaties, zoals een specifieke impuls, bewaarbaarheid, of explosiviteit, " hij zei.

Goedkoper

Behalve dat het groener is, ADN kan ook goedkoper zijn. "Een satelliet tanken met LMP-103S is een stuk eenvoudiger dan hydrazine, aangezien u bij de eerste lancering slechts een derde van de mankracht hebt uitgegeven die nodig is voor het gevaarlijkere hydrazine, " 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."