hydrazine, een van de meest gebruikte vloeibare drijfgassen voor voortstuwingssystemen in de ruimte, is ook extreem giftig. EU-onderzoekers hebben 3D-katalysatoren ontwikkeld om alternatieve drijfgassen te ontsteken.

Hydrazine is zeer giftig, bijtend, en kankerverwekkend voor levende organismen. In 2011, de Europese Commissie heeft hydrazine opgenomen in de kandidaten voor de lijst van zeer zorgwekkende stoffen, die wordt gereguleerd door het kader voor registratie van autorisatie en beperking van chemische stoffen (REACH). Vanaf dat moment, universiteiten, onderzoeksinstituten en industrieën in heel Europa zijn actief bezig met het onderzoeken en testen van niet-giftige drijfgassen als een mogelijke vervanging voor op hydrazine gebaseerde drijfgassen.

Een van de projecten die zich richtten op alternatieve drijfgassen voor voortstuwingssystemen in de ruimte was het Rheform-project. Gefinancierd door de EU, onderzoekers werkten aan het verbeteren van drijfgassen op basis van ammoniumdinitramide (ADN). Het vervangen van hydrazine door nieuwe drijfgassen zal de voortstuwing van de ruimte duurzamer maken voor toekomstige missies.

Huidige uitdagingen overwinnen

Hoewel alternatieve drijfgassen eigenschappen bezitten die ze zeer wenselijk maken voor gebruik in draagraketten en ruimtevaartuigen, deze voordelen komen met beperkingen. De verbrandingstemperatuur van LMP-103S – een mengsel van ADN, water, methanol en ammoniak – is 1600 °C, veel hoger dan die van hydrazine, dat is ongeveer 900 °C. Om dergelijke temperaturen te weerstaan, verbrandingskamers maken gebruik van speciale materialen die voldoen aan bepaalde criteria van de International Traffic in Arms Regulations (ITAR) in de Verenigde Staten.

Een ander groot probleem is dat de katalysator die wordt gebruikt om het alternatieve drijfgas te ontleden en te ontsteken, moet worden verwarmd voordat het wordt ontstoken. De katalysator wordt momenteel elektrisch voorverwarmd tot een temperatuur van ongeveer 350°C, wat ongeveer 30 minuten duurt voordat er wordt geschoten, om de afbraak van het drijfgas te verzekeren. Een dergelijke lange voorontstekingstijd is problematisch in noodsituaties, waar een snelle ontsteking vereist is.

"Het Rheform-team heeft zich daarom gericht op het synthetiseren van katalysatoren die lagere temperaturen nodig hebben voor het voorverwarmen en het aanpassen van de momenteel bestaande op ADN gebaseerde drijfgassen, zodat de materialen die in de verbrandingskamer worden gebruikt compatibel zijn met bestaande materialen die beschikbaar zijn in Europa, " wijst Dr. Michele Negri aan. Om dit doel te bereiken, ontwikkelingsactiviteiten werden uitgevoerd zowel op het gebied van katalysatorontwikkeling als katalytische ontsteking.

Haalbaarheid van het verlagen van de ontstekingstemperatuur

Het doel van de onderzoekers was om een ​​decompositiekamer voor het drijfgas te bouwen die in staat is tot 'koude start'. Spoedig genoeg, na het testen van 40 verschillende katalysatoren in een batchreactor, het team realiseerde zich dat het watergehalte van de drijfgassen moest worden verdampt voordat ze in contact kwamen met de ontstekingsbron. De verdamping werd bereikt door een warmtebed bij de ingang van de verbrandingskamer te plaatsen. Sommige katalysatoren hadden ontstekingstemperaturen net boven 100°C. Zoals Dr. Negri stelt, "Het plan om een ​​katalysatorsysteem te ontwikkelen dat volledig koud kan starten, werd niet haalbaar geacht."

Onderzoekers hebben twee verschillende soorten katalysatoren onderzocht:katalysatorpellets gemaakt van grote korrels en monolithische structuren met patronen van interne kanalen die het drijfgas laten stromen. Monolietstructuren zijn opgebouwd uit keramische materialen. Het projectteam voerde verschillende simulaties uit om de impact van materiaaleigenschappen op de prestaties van de katalysatorstructuur goed te begrijpen om uiteindelijk een efficiënte ontledingskamer te bouwen.

Onder de verschillende soorten keramiek die zijn getest, onderzoekers selecteerden hexaaluminaatstructuren vanwege hun uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen en thermische schokken. Een andere nieuwigheid die door Rheform is geïntroduceerd, is het 3D-printen van deze keramische structuren. Dankzij 3D-printen konden ze monolieten produceren met een zeer complexe geometrie. "Dit is de eerste keer dat 3D-geprint keramiek zoals hexaaluminaatstructuren worden gebruikt voor drijfgassen, " zegt Dr. Negri.

Het ware potentieel van alternatieve drijfgassen

Zowel Europese als Amerikaanse ruimtevaartorganisaties hebben groene drijfgassen voor voortstuwingssystemen beoordeeld als een technologie met hoge prioriteit. Het belangrijkste doel van Rheform was het verbeteren van de prestaties, kosten verlagen en blootstelling aan schadelijke stoffen minimaliseren met nieuwe milieuvriendelijke vloeibare drijfgassen.

Zoals Dr. Negri uitlegt, "Een van de grote voordelen van drijfgassen als alternatief voor hydrazine is dat ze veiliger zijn, terwijl ook de complexiteit en kosten van testen worden verminderd, Verzending, hanteren en lanceren." Al met al, 13 SkySat-satellieten werden gelanceerd vanaf 4 verschillende locaties, wat duidelijk aantoont dat dergelijke hydrazinevrije drijfgassen operationele flexibiliteit mogelijk maken en de lancering van ruimtevaartuigen vanaf verschillende locaties mogelijk maken.