Catalisadores impressos em 3D ultraeficientes podem ajudar a resolver o desafio de superaquecimento em aeronaves hipersônicas e oferecer uma solução revolucionária para gerenciamento térmico em inúmeras indústrias.

Desenvolvido por pesquisadores da RMIT, os catalisadores altamente versáteis são econômicos de fazer e simples de escalar.

As demonstrações de laboratório da equipe mostram que os catalisadores impressos em 3D podem ser usados ​​para impulsionar o vôo hipersônico ao mesmo tempo em que resfriam o sistema.

A pesquisa foi publicada no jornal Royal Society of Chemistry, Comunicações Químicas .

O pesquisador principal, Dr. Selvakannan Periasamy, disse que seu trabalho abordou um dos maiores desafios no desenvolvimento de aeronaves hipersônicas:controlar o calor incrível que se acumula quando os aviões voam a mais de cinco vezes a velocidade do som.

"Nossos testes de laboratório mostram que os catalisadores impressos em 3D que desenvolvemos são uma grande promessa para alimentar o futuro do vôo hipersônico, "Periasamy disse.

"Potente e eficiente, eles oferecem uma solução potencial empolgante para gerenciamento térmico na aviação - e além.

"Com mais desenvolvimento, Esperamos que esta nova geração de catalisadores impressos em 3D ultraeficientes possa ser usada para transformar qualquer processo industrial onde o superaquecimento é um desafio constante. "

Necessito de velocidade

Apenas alguns aviões experimentais alcançaram velocidade hipersônica (definida como acima de Mach 5 - acima de 6, 100 km por hora ou 1,7 km por segundo).

Em teoria, uma aeronave hipersônica poderia viajar de Londres a Sydney em quatro horas, mas muitos desafios permanecem no desenvolvimento de viagens aéreas hipersônicas, como os níveis extremos de calor.

Primeiro autor e Ph.D. a pesquisadora Roxanne Hubesch disse que usar combustível como refrigerante é uma das abordagens experimentais mais promissoras para o problema de superaquecimento.

"Combustíveis que podem absorver calor enquanto alimentam uma aeronave são um foco importante para os cientistas, mas esta ideia depende de reações químicas que consomem calor que precisam de catalisadores altamente eficientes, "Disse Hubesch.

"Além disso, os trocadores de calor onde o combustível entra em contato com os catalisadores devem ser os menores possíveis, por causa das restrições de volume e peso em aeronaves hipersônicas. "

Para fazer os novos catalisadores, a equipe imprimiu em 3D minúsculos trocadores de calor feitos de ligas metálicas e os revestiu com minerais sintéticos conhecidos como zeólitas.

Os pesquisadores replicaram em escala de laboratório as temperaturas e pressões extremas experimentadas pelo combustível em velocidades hipersônicas, para testar a funcionalidade de seu design.

Reatores químicos em miniatura

Quando as estruturas impressas em 3D aquecem, parte do metal se move para a estrutura do zeólito - um processo crucial para a eficiência sem precedentes dos novos catalisadores.

"Nossos catalisadores impressos em 3D são como reatores químicos em miniatura e o que os torna tão incrivelmente eficazes é a mistura de metais e minerais sintéticos, "Disse Hubesch.

"É uma direção nova e empolgante para a catálise, mas precisamos de mais pesquisas para compreender totalmente este processo e identificar a melhor combinação de ligas metálicas para o maior impacto. "

As próximas etapas para a equipe de pesquisa do Centro de Materiais Avançados e Química Industrial (CAMIC) da RMIT incluem a otimização dos catalisadores impressos em 3D estudando-os com técnicas de síncrotron de raios-X e outros métodos de análise aprofundada.

Os pesquisadores também esperam estender as aplicações potenciais do trabalho no controle da poluição do ar para veículos e dispositivos em miniatura para melhorar a qualidade do ar interno - especialmente importante no gerenciamento de vírus respiratórios aerotransportados como o COVID-19.

Diretor CAMIC, Distinto Professor Suresh Bhargava, disse que a indústria química de um trilhão de dólares foi amplamente baseada na velha tecnologia catalítica.

"Esta terceira geração de catálise pode ser ligada à impressão 3D para criar novos designs complexos que antes não eram possíveis, "Bhargava disse.

"Nossos novos catalisadores impressos em 3D representam uma nova abordagem radical que tem potencial real para revolucionar o futuro da catálise em todo o mundo."

Os catalisadores impressos em 3D foram produzidos usando a tecnologia Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) na Digital Manufacturing Facility, parte do Advanced Manufacturing Precinct da RMIT.

Bhargava e o ilustre professor Milan Brandt, diretor do Digital Manufacturing Facility, conceituou a ideia de catalisadores impressos em 3D e design de reator químico.

Coautor do estudo, Dr. Maciej Mazur, do RMIT Center for Additive Manufacturing, disse que o trabalho foi um forte exemplo de inovação possível graças à colaboração interdisciplinar.

"Combinar a manufatura aditiva com as ciências químicas produziu resultados inovadores, "Mazur disse.

"Zeólitos em estrutura de metal aberta impressa em 3D:Migração de metal em zeólito promoveu craqueamento catalítico de combustíveis endotérmicos para veículos de vôo" é publicado em Comunicações Químicas .