p Uma nova geração de propelentes de foguetes para exploração do espaço profundo, como propelentes líquidos iônicos com longa durabilidade e alta estabilidade, estão atraindo atenção significativa. Contudo, propelentes líquidos iônicos são fortemente restringidos por sua reatividade hipergólica inadequada (ignição espontânea) entre o combustível e o oxidante, onde este defeito pode causar queima local e explosões acidentais durante o lançamento do foguete. Em um novo relatório, Wen-Li Yuan e uma equipe de pesquisa em Química na Universidade de Sichuan na China e na Universidade de Idaho nos EUA propuseram um modelo visual para demonstrar características de propelentes para estimar seu desempenho e aplicações. O genoma de materiais e o modelo de visualização dos propelentes melhoraram muito a eficiência e a qualidade do desenvolvimento de propelentes de desempenho com aplicativos para descobrir novas e avançadas moléculas funcionais no campo de materiais energéticos. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência . p Exploração espacial e método do genoma de materiais.

p Uma estratégia recente para descobrir novos materiais apresenta um método baseado em "genomas de materiais, "que se baseia na análise de big data das estruturas e propriedades dos materiais alvo para descobrir novos materiais. Os pesquisadores pretendem construir programas de inteligência artificial e triagem para analisar um grande número de estruturas possíveis em um curto período de tempo usando o método. Yuan et al. aplicaram o método do genoma de materiais neste trabalho para prever o aditivo hipergólico mais provável. Os seres humanos sempre foram fascinados com a exploração do espaço e imaginaram viajar através do espaço-tempo, embora os limites tecnológicos tenham impedido essa ambição por milhares de anos. Atualmente, espaçonaves de alto desempenho estão em desenvolvimento com tecnologias modernas para alcançar navegação espacial tripulada e não tripulada dentro da órbita terrestre baixa e através de nosso sistema solar.

p A energia química liberada por um propelente (combustível de foguete) forma a fonte de energia de foguetes e espaçonaves, e pode determinar a faixa de altitude e vida útil de uma nave espacial. Os exemplos incluem o foguete Atlas-Centaur baseado em dihidrogênio líquido e combustível de oxigênio, com destino a Marte e Vênus, bem como o foguete Longa Marcha 3B contendo UDMH (dimetil hidrazina assimétrica) / tetróxido de dinitrogênio para a lua. Contudo, esses propelentes ou combustíveis de foguete de alto desempenho são limitados por alta toxicidade e decomposição, ao lado de sua existência estável apenas em temperaturas extremamente baixas. Portanto, existe a necessidade de um método eficiente e sistemático para projetar aditivos hipergólicos de alto desempenho. O método do genoma de materiais pode reduzir o período de investigação necessário para desenvolver esses novos materiais.

p Estabelecendo um banco de dados do genoma de materiais hipergólicos

p Para estabelecer um banco de dados do genoma de materiais hipergólicos, a equipe identificou estruturas-chave de compostos hipergólicos e explorou suas relações estrutura-atividade. Uma reação hipergólica é uma reação redox exotérmica (isto é, combustão) onde os componentes podem entrar em ignição espontaneamente ao entrar em contato com um combustor de foguete. Esses compostos são normalmente feitos de elementos geradores de gás, como carbono e nitrogênio. Muito parecido com a relação entre o gene e seu par de bases, o hidrogênio diverso (H), carbono (C), nitrogênio (N) e outros elementos constituem uma série de grupos funcionais hipergólicos e estruturas para gerar compostos hipergólicos como propelentes de foguete adequados. Os materiais deveriam ter um tempo de atraso de ignição, uma alta entalpia de combustão e um alto impulso específico para determinar a capacidade total de carga útil de energia dos foguetes. Os aditivos propulsores também devem ser estáveis ​​e compatíveis. Com base nesses requisitos, Yuan et al. forneceu um método direto para identificar estruturas-chave de aditivos hipergólicos a partir da composição elementar de suas estruturas funcionais.

p Propelentes energéticos ricos em nitrogênio e carbono

p Propelentes energéticos ricos em nitrogênio podem aumentar a energia além dos combustíveis tradicionais para melhorar o impulso específico dos combustíveis de foguete. Usando a literatura existente, os pesquisadores descobriram a relação de mais de 1000 propelentes e suas misturas para entender a conexão entre sua composição elementar e propriedades de decomposição térmica. Os propelentes com conteúdo de 30 a 50 por cento de nitrogênio tiveram a maior estabilidade térmica com temperaturas de decomposição acima de 200 graus Celsius. Os pesquisadores deduziram um teor de nitrogênio apropriado para atender aos requisitos específicos e estabilidade térmica para propelentes de alto desempenho. O conteúdo do elemento de carbono também gerou quantidades substanciais de calor de combustão e dióxido de carbono gasoso necessário para a propulsão da espaçonave para fornecer energia química suficiente para superar a gravidade. Com base na entalpia de combustão entre carbono e nitrogênio, a entalpia de combustão do propelente foi positivamente relacionada ao teor de carbono. Para projetar os propelentes, a equipe combinou os limites de elementos de nitrogênio em propelentes com um conteúdo de carbono mais alto permitido para alcançar o melhor desempenho para impulso específico e entalpia de combustão.

p Composição estrutural e análise quântica

p A composição estrutural foi outra característica fundamental dos propelentes de alto desempenho para determinar sua estabilidade, comportamento de ignição e toxicidade biológica. Líquidos iônicos compostos de cátions e ânions têm vantagens únicas de miscibilidade, volatilidade, hipotoxicidade e estabilidade térmica para reduzir significativamente o risco de exposição do operador a aerossóis e deflagração. Usando um método de triagem, Yuan et al. forneceu orientação básica para projetar e identificar rapidamente os compostos alvo e considerou outros indicadores importantes, incluindo reatividade hipergólica e densidade, para selecionar a melhor estrutura de desempenho.

p A equipe então conduziu uma análise quântica investigando a teoria orbital molecular (MO) dos ânions como um critério para determinar a hipergolicidade e testou 15 ânions, dos quais líquidos iônicos de (1-metil-hidrazinil) tetrazolato (MHT) atendem a todos os requisitos de aditivos hipergólicos. O banco de dados do genoma e o processo de triagem foram, portanto, completos. Yuan et al. em seguida, estudou a estrutura e as propriedades físico-químicas dos líquidos iônicos MHT, incluindo a densidade, estabilidade térmica e propriedades de detonação. Aliás, o combustível MHT à base de cátion 1-butil-3-metilimidazólio (Bmim +) teve a maior temperatura de decomposição térmica, além de 200 graus Celsius, que era seguro sob condições extremas no espaço. A equipe também testou dois propelentes adicionais à base de (Bmim +), incluindo dicianamida à base de Bmim (BmimDCA) e líquidos iônicos Bmim 5-aminotetrazol (BmimAT).

p Outlook - propelentes de alto desempenho

p Uma vez que a toxicidade era um problema sério em propelentes, a equipe testou a toxicidade dos líquidos iônicos usando uma bactéria Vibrio fischeri que pode determinar a aceitabilidade ambiental e o parâmetro de toxicologia dos materiais. Os líquidos iônicos BmimMHT / BmimDCA combinados foram vantajosos como propelentes verdes em comparação com os combustíveis tradicionais. O líquido iônico DCA era mais exclusivo em relação à toxicidade, estabilidade e volatilidade. Com base na orientação do método de genoma material de propelentes, Yuan et al. combinou o líquido iônico DCA com BmimMHT, para compensar o comportamento hipergólico insuficiente do DCA.

p Desta maneira, Wen-Li Yuan e seus colegas projetaram uma família de propelente de alto desempenho, anteriormente não realizada, usando o método de genoma de materiais propelentes. O líquido iônico MHT resolveu com sucesso o comportamento de ignição dos líquidos iônicos DCA. A estratégia de design resumiu a relação estrutura-atividade dos propelentes combinada com estabilidade, hipergolicidade e toxicidade em um método de genoma de materiais pioneiros em estudo integrado no campo de propelentes. A abordagem do genoma guiará e promoverá o projeto molecular e a aplicação de novos materiais para desenvolver novos propelentes de alto desempenho. p © 2020 Science X Network