Een nieuwe generatie raketstuwstoffen voor verkenning van de diepe ruimte, zoals ionische vloeibare stuwstoffen met een lang uithoudingsvermogen en hoge stabiliteit, trekken veel aandacht. Echter, ionische vloeibare drijfgassen worden sterk beperkt door hun ontoereikende hypergolische (spontane ontsteking) reactiviteit tussen de brandstof en het oxidatiemiddel, waar dit defect lokale burn-out en onbedoelde explosies kan veroorzaken tijdens raketlancering. In een nieuw rapport Wen-Li Yuan en een onderzoeksteam in scheikunde aan de Sichuan University in China en de Idaho University in de VS hebben een visueel model voorgesteld om kenmerken van drijfgassen te demonstreren om hun prestaties en toepassingen te schatten. Het materiaalgenoom en het visualisatiemodel van de drijfgassen hebben de efficiëntie en kwaliteit van het ontwikkelen van prestatie-drijfgassen aanzienlijk verbeterd met toepassingen om nieuwe en geavanceerde functionele moleculen op het gebied van energetische materialen te ontdekken. Het werk is nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Ruimteverkenning en de materiaalgenoommethode.

Een recente strategie om nieuwe materialen te ontdekken, presenteert een methode gebaseerd op "materialen genomen, " die gebaseerd is op big data-analyse van de structuren en eigenschappen van doelmaterialen om nieuwe materialen te ontdekken. Onderzoekers streven ernaar kunstmatige-intelligentieprogramma's en screening te bouwen om een ​​groot aantal mogelijke structuren in een kort tijdsbestek te analyseren met behulp van de methode. Yuan et al. toegepast de materiaalgenoommethode in dit werk om het meest waarschijnlijke hypergolische additief te voorspellen Mensen zijn altijd gefascineerd geweest door ruimteverkenning en hebben zich het reizen door ruimte-tijd voorgesteld, hoewel technologische grenzen deze ambitie duizenden jaren hebben tegengehouden. Momenteel, krachtige ruimtevaartuigen zijn in ontwikkeling met moderne technologieën om bemande en onbemande ruimtevaart te realiseren binnen een lage baan om de aarde en door ons zonnestelsel.

Chemische energie die vrijkomt door een drijfgas (raketbrandstof) vormt de krachtbron van raketten en ruimtevaartuigen, en kan het hoogtebereik en de levensduur van een ruimtevaartuig bepalen. Voorbeelden zijn de Atlas-Centaur-raket op basis van vloeibare diwaterstof en zuurstofbrandstof, op weg naar Mars en Venus, evenals de Long March 3B-raket met UDMH (asymmetrische dimethylhydrazine)/distikstoftetroxide naar de maan. Echter, deze krachtige raketstuwstoffen of brandstoffen worden beperkt door hoge toxiciteit en ontleding, naast hun stabiele bestaan ​​alleen bij extreem lage temperaturen. Er bestaat daarom behoefte aan een efficiënte en systematische methode om hoogwaardige hypergolische additieven te ontwerpen. De materiaalgenoommethode kan de onderzoeksperiode die nodig is om dergelijke nieuwe materialen te ontwikkelen, verkorten.

Het opzetten van een genoomdatabase voor hypergolische materialen

Om een ​​genoomdatabase voor hypergolische materialen op te zetten, het team identificeerde de belangrijkste structuren van hypergolische verbindingen en onderzocht hun structuur-activiteitsrelaties. Een hypergolische reactie is een exotherme redoxreactie (d.w.z. verbranding) waar componenten spontaan kunnen ontbranden bij contact in een raketverbrandingsinstallatie. Dergelijke verbindingen zijn typisch gemaakt van gasgenererende elementen zoals koolstof en stikstof. Net als de relatie tussen het gen en zijn basenpaar, de diverse waterstof (H), koolstof (C), stikstof (N) en andere elementen vormen een reeks hypergolische functionele groepen en raamwerken om hypergolische verbindingen te genereren als geschikte raketstuwstoffen. De materialen moesten een ontstekingsvertragingstijd hebben, een hoge verbrandingsenthalpie en een hoge specifieke impuls om het totale energie-laadvermogen van raketten te bepalen. Drijfgasadditieven moeten ook stabiel en compatibel zijn. Op basis van deze eisen, Yuan et al. verschafte een directe methode om sleutelstructuren van hypergolische additieven te identificeren aan de hand van de elementaire samenstelling van hun functionele structuren.

Stikstof en koolstofrijke energetische drijfgassen

Stikstofrijke energetische drijfgassen kunnen meer energie opwekken dan traditionele brandstoffen om de specifieke impuls van raketbrandstoffen te verbeteren. Met behulp van bestaande literatuur, de onderzoekers vonden de relatie tussen meer dan 1000 drijfgassen en hun mengsels om het verband tussen hun elementaire samenstelling en thermische ontledingseigenschappen te begrijpen. Drijfgassen met een stikstofgehalte van 30 tot 50 procent hadden de hoogste thermische stabiliteit met ontledingstemperaturen van meer dan 200 graden Celsius. De onderzoekers hebben een geschikt stikstofgehalte afgeleid om te voldoen aan de specifieke vereisten en thermische stabiliteit voor hoogwaardige drijfgassen. Het gehalte aan koolstofelementen genereerde ook aanzienlijke hoeveelheden verbrandingswarmte en gasvormig koolstofdioxide dat nodig is voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen om voldoende chemische energie te leveren om de zwaartekracht te overwinnen. Gebaseerd op de enthalpie van verbranding tussen koolstof en stikstof, de enthalpie van drijfgasverbranding was positief gerelateerd aan het koolstofgehalte. Om de drijfgassen te ontwerpen, het team combineerde de limieten van stikstofelementen in drijfgassen met een hoogst toelaatbaar koolstofgehalte om de beste prestaties voor specifieke impuls- en verbrandingsenthalpie te bereiken.

Structurele samenstelling en kwantumanalyse

De structurele samenstelling was een ander belangrijk kenmerk van hoogwaardige drijfgassen om hun stabiliteit te bepalen, ontstekingsgedrag en biologische toxiciteit. Ionische vloeistoffen samengesteld uit kationen en anionen hebben unieke voordelen van mengbaarheid, wisselvalligheid, hypotoxiciteit en thermische stabiliteit om het risico van blootstelling van de bediener aan aerosolen en deflagratie sterk te verminderen. Met behulp van een screeningsmethode, Yuan et al. basisrichtlijnen verstrekt om snel doelverbindingen te ontwerpen en te identificeren en andere belangrijke indicatoren in overweging te nemen, inclusief hypergolische reactiviteit en dichtheid, om de beste prestatiestructuur te selecteren.

Het team voerde vervolgens kwantumanalyse uit door de moleculaire orbitale (MO) theorie van anionen te onderzoeken als een criterium om hypergoliciteit te bepalen en testte 15 anionen, waarvan (1-methylhydrazinyl)tetrazolaat (MHT) ionische vloeistoffen voldeden aan alle eisen van hypergolische additieven. De genoomdatabase en het screeningsproces waren daarmee compleet. Yuan et al. bestudeerde vervolgens de structuur en fysisch-chemische eigenschappen van MHT-ionische vloeistoffen, inclusief de dichtheid, thermische stabiliteit en detonatie-eigenschappen. Overigens, de op 1-butyl-3-methylimidazoliumkation (Bmim+) gebaseerde MHT-brandstof had de hoogste thermische ontledingstemperatuur, boven 200 graden Celsius, die veilig was onder extreme omstandigheden in de ruimte. Het team heeft ook twee extra (Bmim+)-gebaseerde drijfgassen getest, waaronder op Bmim gebaseerde dicyanamide (BmimDCA) en Bmim 5-aminotetrazol (BmimAT) ionische vloeistoffen.

Outlook - krachtige drijfgassen

Aangezien toxiciteit een ernstig probleem was bij drijfgassen, het team testte de toxiciteit van de ionische vloeistoffen met behulp van een Vibrio fischeri-bacterie die de milieuaanvaardbaarheid en toxicologische parameter van materialen kan bepalen. De gecombineerde BmimMHT/BmimDCA ionische vloeistoffen waren voordelig als groene drijfgassen in vergelijking met traditionele brandstoffen. De DCA-ionische vloeistof was unieker ten opzichte van toxiciteit, stabiliteit en volatiliteit. Gebaseerd op de begeleiding van de materiële genoommethode van drijfgassen, Yuan et al. combineerde de DCA ionische vloeistof met BmimMHT, om het onvoldoende hypergolische gedrag van DCA te compenseren.

Op deze manier, Wen-Li Yuan en collega's ontwierpen een voorheen niet-gerealiseerde familie van hoogwaardige drijfgassen met behulp van de genoommethode voor drijfgas. De MHT ionische vloeistof heeft met succes het ontstekingsgedrag van de DCA ionische vloeistoffen opgelost. De ontwerpstrategie vatte de structuur-activiteitsrelatie van drijfgassen in combinatie met stabiliteit samen, hypergoliciteit en toxiciteit in een eerste-in-studie materiaalgenoommethode geïntegreerd op het gebied van drijfgassen. De genoombenadering zal het moleculaire ontwerp en de toepassing van nieuwe materialen begeleiden en bevorderen om nieuwe hoogwaardige drijfgassen te ontwikkelen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk