Elektrische vaste stuwstoffen worden onderzocht als een veiligere optie voor pyrotechniek, mijnbouw, en voortstuwing in de ruimte omdat ze alleen ontbranden met een elektrische stroom. Maar omdat al deze toepassingen veel warmte vereisen, het is belangrijk om te begrijpen hoe de hoge temperaturen de chemie van de drijfgassen veranderen. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Missouri Universiteit voor Wetenschap en Technologie, en NASA gebruikte een computermodel dat de thermochemische eigenschappen van materialen op hoge temperatuur simuleert om de thermochemie van een nieuwe krachtige elektrische vaste stuwstof te voorspellen.

"Bij ablatie gepulseerde plasma-stuwraketten, er is een plasma op hoge temperatuur naast het oppervlak van de elektrische vaste stuwstof. De hitte zorgt ervoor dat kleine hoeveelheden van het drijfgas van het oppervlak worden verwijderd of weggenomen en verdampen. Dit geablateerde materiaal wordt vervolgens versneld tot hoge snelheden om de raket voort te stuwen. Echter, de hoge temperatuur verandert ook de chemische samenstelling van het materiaal. We hadden die informatie over de chemische samenstelling tot nu toe niet, " zei Joshua Rorey, universitair hoofddocent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in The Grainger College of Engineering aan de U of I.

Over hoe heet hebben we het? Bij wijze van voorbeeld, 12, 000 graden Kelvin is de temperatuur van het oppervlak van een ster. Het model simuleerde temperaturen van 500 tot 40, 000 graden Kelvin.

Bij deze hoge temperaturen de chemie van de vaste stuwstof verandert. Het conventionele Teflon-materiaal bestaat uit twee koolstoffen en vier fluorines die aan elkaar zijn gebonden. Naarmate het ableert, het komt zo heet af dat de moleculen dissociëren. De koolstof en fluor komen van elkaar los.

"Het is zo heet dat elektronen van die atomen komen, "Zei Rovey. "Nu heb je negatief geladen elektronen die rondlopen en positief geladen ionen die als een vloeistof achterblijven. Het hete gas wordt met hoge snelheden uit de boegschroef uitgestoten die stuwkracht genereren en ruimtevaartuigen voortstuwen. Dit werk is een numeriek model om de thermodynamica en het evenwicht van dit drijfgas te voorspellen wanneer het verdampt en zich bij deze hoge temperaturen bevindt."

Het onderzoek begon met een eerder ontwikkeld numeriek model voor het Teflon-materiaal en gegevens om een ​​benchmark te bieden. Na te hebben bevestigd dat ze de teflon correct hebben gesimuleerd, de onderzoekers gebruikten hetzelfde model, maar met behulp van invoervoorwaarden van het krachtige elektrische drijfgas om zijn geleidbaarheid en ionisatie bij dezelfde temperaturen als de teflon te voorspellen.

Een belangrijke conclusie van het onderzoek is dat het krachtige elektrische drijfgas bij deze extreme temperaturen een hogere enthalpie-energie heeft die in het gas is opgeslagen.

"We hebben mogelijk meer van de zogenaamde bevroren stroomverliezen in verband met dit materiaal dan met de teflon, " zei Rovey. "Het krachtige elektrische drijfgas slaat intern meer energie op in het gas. Voor voortstuwing, we willen dat die energie naar het versnellen van het gas gaat. We willen niet veel energie steken in deze interne modi. Ja, het maakt echt heet gas, maar we willen snel gas.

"Dat is een van de nadelen van het gebruik ervan:meer energie opslaan in deze interne modi vermindert de efficiëntie. Wat dit onderzoek aantoonde, is dat de reden fundamenteel te wijten is aan de thermochemie van het materiaal - de samenstelling van de atomen en moleculen in hoogwaardige elektrische drijfgas en hoe ze reageren op intense hitte en hoge temperaturen."

Rovey zei dat de informatie uit dit werk kan worden toegepast op andere toepassingen voor vaste stuwstof, zoals pyrotechniek of laserablatie.

"Of het nu een ablatie-gevoede gepulseerde plasma-thruster is, een laser die een oppervlak wegneemt, of een andere energiedepositietechniek, we bestuderen gewoon hoe dit materiaal zich bij verschillende temperaturen gedraagt ​​- hoe de chemische samenstelling verandert."

De studie, "Thermodynamische eigenschappen van op hydroxylammoniumnitraat gebaseerd elektrisch vaste stuwstofplasma, " verschijnt in de Tijdschrift voor thermofysica en warmteoverdracht .