Hidrazina, um dos propelentes líquidos mais amplamente usados ​​para sistemas de propulsão espacial, também é extremamente tóxico. Pesquisadores da UE desenvolveram catalisadores 3-D para acender propelentes alternativos.

A hidrazina é altamente tóxica, corrosivo, e cancerígeno para organismos vivos. Em 2011, a Comissão Europeia incluiu a hidrazina entre os candidatos à lista de substâncias que suscitam elevada preocupação, que é regulado pela estrutura de Registro de Autorização de Avaliação e Restrição de Produtos Químicos (REACH). Desde então, universidades, institutos de pesquisa e indústrias em toda a Europa têm explorado e testado ativamente propelentes não tóxicos como um possível substituto para os propelentes à base de hidrazina.

Um dos projetos que se concentraram em propelentes alternativos para sistemas de propulsão espacial foi o projeto Rheform. Financiado pela UE, pesquisadores trabalharam no aprimoramento de propelentes baseados em dinitramida de amônio (ADN). Substituir a hidrazina por novos propelentes tornará a propulsão espacial mais sustentável para missões futuras.

Superando os desafios atuais

Embora os propelentes alternativos possuam características que os tornam altamente desejáveis ​​para uso em lançadores e espaçonaves, esses benefícios vêm com restrições. A temperatura de combustão do LMP-103S - uma mistura de ADN, agua, metanol e amônia - é 1600 ° C, muito maior do que a da hidrazina, que é cerca de 900 ° C. Para resistir a tais temperaturas, as câmaras de combustão utilizam materiais especiais que atendem a certos critérios do International Traffic in Arms Regulations (ITAR) dos Estados Unidos.

Outro grande problema é que o catalisador usado para decompor e inflamar o propelente alternativo precisa ser aquecido antes da ignição. O catalisador é atualmente pré-aquecido eletricamente a uma temperatura de cerca de 350 ° C, que leva cerca de 30 minutos antes de disparar, para garantir a decomposição do propulsor. Esse longo tempo de pré-ignição é problemático em situações de emergência, onde uma ignição imediata é necessária.

"A equipe da Rheform se concentrou, portanto, na síntese de catalisadores que exigem temperaturas mais baixas para o pré-aquecimento e na adaptação dos propelentes atualmente existentes à base de ADN para que os materiais usados ​​na câmara de combustão sejam compatíveis com os materiais existentes disponíveis na Europa, "destaca a Dra. Michele Negri. Para atingir esse objetivo, as atividades de desenvolvimento foram conduzidas tanto no desenvolvimento do catalisador quanto na ignição catalítica.

Viabilidade de redução da temperatura de ignição

O objetivo dos pesquisadores era construir uma câmara de decomposição para o propelente que fosse capaz de 'partida a frio'. Em breve, depois de testar 40 catalisadores diferentes em um reator em lote, a equipe percebeu que o conteúdo de água dos propelentes precisava ser vaporizado antes de entrar em contato com a fonte de ignição. A vaporização foi conseguida colocando um leito térmico na entrada da câmara de combustão. Alguns dos catalisadores tinham temperaturas de ignição pouco acima de 100 ° C. Como afirma o Dr. Negri, "O plano de desenvolver um sistema catalítico capaz de uma partida completamente a frio não foi considerado viável."

Os pesquisadores exploraram dois tipos diferentes de catalisadores:pelotas de catalisador feitas de grãos grandes e estruturas monolíticas padronizadas com canais internos que permitem o fluxo do propelente. As estruturas monolíticas são construídas com materiais cerâmicos. A equipe do projeto realizou várias simulações para entender adequadamente o impacto das propriedades do material no desempenho da estrutura do catalisador para construir uma câmara de decomposição eficiente.

Entre os vários tipos de cerâmicas testadas, pesquisadores selecionaram estruturas hexaaluminadas por sua excelente resistência a altas temperaturas e choques térmicos. Outra novidade introduzida pela Rheform é a impressão 3-D dessas estruturas cerâmicas. A impressão 3-D permitiu-lhes produzir monólitos com uma geometria muito complexa. "Esta é a primeira vez que cerâmicas impressas em 3-D, como estruturas de hexaaluminato, são usadas para propelentes, "afirma o Dr. Negri.

O verdadeiro potencial de propelentes alternativos

Ambas as agências espaciais europeias e americanas classificaram os propelentes verdes para sistemas de propulsão como uma tecnologia de alta prioridade. O principal objetivo do Rheform era melhorar o desempenho, reduzir custos e minimizar a exposição a substâncias nocivas com novos propelentes líquidos ecologicamente corretos.

Como o Dr. Negri explica, “Uma das grandes vantagens dos propelentes alternativos à hidrazina é que eles são mais seguros, ao mesmo tempo que diminui a complexidade e o custo dos testes, envio, manuseio e lançamento. "Ao todo, 13 satélites SkySat foram lançados de 4 locais diferentes, o que demonstra claramente que tais propelentes livres de hidrazina permitem flexibilidade operacional e permitem o lançamento de espaçonaves de diferentes locais.