Ultra-efficiënte 3D-geprinte katalysatoren kunnen de uitdaging van oververhitting in hypersonische vliegtuigen helpen oplossen en een revolutionaire oplossing bieden voor thermisch beheer in talloze industrieën.

Ontwikkeld door onderzoekers van RMIT, de zeer veelzijdige katalysatoren zijn kosteneffectief te maken en eenvoudig op te schalen.

De laboratoriumdemonstraties van het team laten zien dat de 3D-geprinte katalysatoren mogelijk kunnen worden gebruikt om hypersonische vluchten aan te drijven en tegelijkertijd het systeem te koelen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society of Chemistry, Chemische communicatie .

Hoofdonderzoeker Dr. Selvakannan Periasamy zei dat hun werk een van de grootste uitdagingen in de ontwikkeling van hypersonische vliegtuigen aanpakte:het beheersen van de ongelooflijke hitte die zich ophoopt wanneer vliegtuigen met meer dan vijf keer de snelheid van het geluid vliegen.

"Onze laboratoriumtests laten zien dat de 3D-geprinte katalysatoren die we hebben ontwikkeld veelbelovend zijn voor het voeden van de toekomst van hypersonische vluchten, ' zei Periasami.

"Krachtig en efficiënt, ze bieden een opwindende potentiële oplossing voor thermisch beheer in de luchtvaart - en daarbuiten.

"Met verdere ontwikkeling, we hopen dat deze nieuwe generatie ultra-efficiënte 3D-geprinte katalysatoren kan worden gebruikt om elk industrieel proces te transformeren waar oververhitting een altijd aanwezige uitdaging is."

Behoefte aan snelheid

Slechts een paar experimentele vliegtuigen hebben hypersonische snelheid bereikt (gedefinieerd zoals hierboven Mach 5 - meer dan 6, 100 km per uur of 1,7 km per seconde).

In theorie, een hypersonisch vliegtuig zou in vier uur van Londen naar Sydney kunnen reizen, maar er zijn nog veel uitdagingen bij de ontwikkeling van hypersonische vliegreizen, zoals de extreme hitteniveaus.

Eerste auteur en Ph.D. onderzoeker Roxanne Hubesch zei dat het gebruik van brandstof als koelmiddel een van de meest veelbelovende experimentele benaderingen van het oververhittingsprobleem was.

"Brandstoffen die warmte kunnen absorberen terwijl ze een vliegtuig aandrijven, zijn een belangrijk aandachtspunt voor wetenschappers, maar dit idee is gebaseerd op warmteverslindende chemische reacties die zeer efficiënte katalysatoren nodig hebben, ' zei Hubesch.

"Aanvullend, de warmtewisselaars waar de brandstof in contact komt met de katalysatoren moeten zo klein mogelijk zijn, vanwege de strakke volume- en gewichtsbeperkingen in hypersonische vliegtuigen."

Om de nieuwe katalysatoren te maken, het team 3D-printte kleine warmtewisselaars gemaakt van metaallegeringen en bekleedde ze met synthetische mineralen die bekend staan ​​als zeolieten.

De onderzoekers repliceerden op laboratoriumschaal de extreme temperaturen en drukken die door de brandstof worden ervaren met hypersonische snelheden, om de functionaliteit van hun ontwerp te testen.

Miniatuur chemische reactoren

Wanneer de 3D-geprinte structuren opwarmen, een deel van het metaal komt in het zeolietraamwerk terecht - een proces dat cruciaal is voor de ongekende efficiëntie van de nieuwe katalysatoren.

"Onze 3D-geprinte katalysatoren zijn als miniatuur chemische reactoren en wat ze zo ongelooflijk effectief maakt, is die mix van metaal en synthetische mineralen, ' zei Hubesch.

"Het is een opwindende nieuwe richting voor katalyse, maar we hebben meer onderzoek nodig om dit proces volledig te begrijpen en de beste combinatie van metaallegeringen voor de grootste impact te identificeren."

De volgende stappen voor het onderzoeksteam van RMIT's Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry (CAMIC) omvatten het optimaliseren van de 3D-geprinte katalysatoren door ze te bestuderen met röntgensynchrotron-technieken en andere diepgaande analysemethoden.

De onderzoekers hopen ook de mogelijke toepassingen van het werk uit te breiden naar de beheersing van luchtverontreiniging voor voertuigen en miniatuurapparaten om de luchtkwaliteit binnenshuis te verbeteren, vooral belangrijk bij het beheersen van luchtwegvirussen zoals COVID-19.

CAMIC-directeur, Voorname professor Suresh Bhargava, zei dat de chemische industrie van een biljoen dollar grotendeels gebaseerd was op oude katalytische technologie.

"Deze derde generatie katalyse kan worden gekoppeld aan 3D-printen om nieuwe complexe ontwerpen te maken die voorheen niet mogelijk waren, ' zei Bhargava.

"Onze nieuwe 3D-geprinte katalysatoren vertegenwoordigen een radicaal nieuwe benadering die echt potentieel heeft om de toekomst van katalyse over de hele wereld te revolutioneren."

De 3D-geprinte katalysatoren werden geproduceerd met behulp van Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-technologie in de Digital Manufacturing Facility, onderdeel van RMIT's Advanced Manufacturing Precinct.

Bhargava en Distinguished Professor Milan Brandt, directeur van de Digital Manufacturing Facility, het idee van 3D-geprinte katalysatoren en het ontwerp van chemische reactoren geconceptualiseerd.

Studie co-auteur Dr. Maciej Mazur, van het RMIT Center for Additive Manufacturing, zei dat het werk een sterk voorbeeld was van innovatie die mogelijk werd gemaakt door interdisciplinaire samenwerking.

"De combinatie van additive manufacturing met chemische wetenschappen heeft baanbrekende resultaten opgeleverd, ' zei Mazur.

"Zeolieten op 3D-geprinte open metalen raamwerkstructuur:metaalmigratie naar zeoliet bevorderde katalytisch kraken van endotherme brandstoffen voor vluchtvoertuigen" is gepubliceerd in Chemische communicatie .