Propelentes elétricos sólidos estão sendo explorados como uma opção mais segura para pirotecnia, mineração, e propulsão no espaço porque eles só se acendem com uma corrente elétrica. Mas, como todas essas aplicações requerem alto calor, é importante entender como as altas temperaturas mudam a química dos propelentes. Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri, e a NASA usou um modelo de computador que simula as propriedades termoquímicas de materiais de alta temperatura para prever a termoquímica de um novo propelente sólido elétrico de alto desempenho.

"Em propulsores de plasma pulsado de ablação, há um plasma de alta temperatura próximo à superfície do propelente sólido elétrico. O calor faz com que pequenas quantidades do propelente sejam removidas ou ablacionadas da superfície e se tornem vaporizadas. Este material ablacionado é então acelerado a altas velocidades para propelir o foguete. Contudo, a alta temperatura também altera a composição química do material. Não tínhamos essas informações de composição química até agora, "disse Joshua Rovey, professor associado do Departamento de Engenharia Aeroespacial do Grainger College of Engineering da Universidade de I.

De que calor estamos falando? A título de exemplo, 12, 000 graus Kelvin é a temperatura da superfície de uma estrela. O modelo simulou temperaturas de 500 a 40, 000 graus Kelvin.

Nessas altas temperaturas, a química das mudanças de propulsor sólido. O material de Teflon convencional é composto de dois carbonos e quatro flúores que estão ligados um ao outro. À medida que faz ablação, sai tão quente que as moléculas se dissociam. Os carbonos e os flúores se separam.

"É tão quente que os elétrons saem desses átomos, "Rovey disse." Agora você tem elétrons carregados negativamente movendo-se e íons carregados positivamente que permanecem como um fluido. O gás quente é ejetado do propulsor em altas velocidades que geram impulso e propulsionam a espaçonave. Este trabalho é um modelo numérico para prever a termodinâmica e o equilíbrio desse propelente quando ele vaporiza e está nessas altas temperaturas. "

A pesquisa começou com um modelo numérico desenvolvido anteriormente para o material e dados de Teflon para fornecer uma referência. Depois de confirmar que simularam o Teflon corretamente, os pesquisadores usaram o mesmo modelo, mas usando as condições de entrada do propelente elétrico de alto desempenho para prever sua condutividade e ionização nas mesmas temperaturas do Teflon.

Uma lição principal do estudo é que o propelente elétrico de alto desempenho tem uma entalpia mais alta - energia armazenada no gás - nessas temperaturas extremas.

"Podemos ter mais do que é chamado de perdas de fluxo congeladas associadas a este material do que com o Teflon, "Rovey disse." O propelente elétrico de alto desempenho armazena mais energia internamente no gás. Para propulsão, queremos que essa energia vá para acelerar o gás. Não queremos colocar muita energia nesses modos internos. Sim, faz um gás muito quente, mas queremos gás de alta velocidade.

"Essa é uma das desvantagens de usá-lo - armazenar mais energia nesses modos internos reduz a eficiência. O que essa pesquisa mostrou é que o motivo é fundamentalmente devido à termoquímica do material - a composição dos átomos e moléculas em sistemas elétricos de alto desempenho propelente e como eles respondem ao calor intenso e altas temperaturas. "

Rovey disse que as informações deste trabalho podem ser aplicadas a outras aplicações de propelentes sólidos, como pirotecnia ou ablação a laser.

"Seja um propulsor de plasma pulsado alimentado por ablação, um laser ablando uma superfície, ou outra técnica de deposição de energia, estamos simplesmente estudando como esse material se comporta em diferentes temperaturas - como sua composição química muda. "

O estudo, "Propriedades termodinâmicas do plasma propelente sólido elétrico à base de nitrato de hidroxilamônio, "aparece no Journal of Thermophysics and Heat Transfer .