idrazina, uno dei propellenti liquidi più utilizzati per i sistemi di propulsione spaziale, è anche estremamente tossico. I ricercatori dell'UE hanno sviluppato catalizzatori 3D per l'accensione di propellenti alternativi.

L'idrazina è altamente tossica, corrosivo, e cancerogeno per gli organismi viventi. Nel 2011, la Commissione Europea ha incluso l'idrazina tra i candidati per l'elenco delle sostanze estremamente preoccupanti, che è regolato dal quadro REACH (Registration of Evaluation Authorization and Restriction of Chemicals). Da allora, università, gli istituti di ricerca e le industrie di tutta Europa hanno esplorato e testato attivamente propellenti non tossici come possibile sostituto dei propellenti a base di idrazina.

Uno dei progetti che si è concentrato su propellenti alternativi per i sistemi di propulsione spaziale è stato il progetto Rheform. Finanziato dall'UE, i ricercatori hanno lavorato al miglioramento dei propellenti a base di dinitramide di ammonio (ADN). La sostituzione dell'idrazina con nuovi propellenti renderà la propulsione spaziale più sostenibile per le missioni future.

Superare le sfide attuali

Sebbene i propellenti alternativi possiedano caratteristiche che li rendono altamente desiderabili per l'uso in lanciatori e veicoli spaziali, questi vantaggi sono dotati di vincoli. La temperatura di combustione di LMP-103S - una miscela di ADN, acqua, metanolo e ammoniaca - è 1600 ° C, molto più alto di quello dell'idrazina, che è di circa 900 °C. Per resistere a tali temperature, le camere di combustione utilizzano materiali speciali che soddisfano determinati criteri dell'International Traffic in Arms Regulations (ITAR) negli Stati Uniti.

Un altro grosso problema è che il catalizzatore utilizzato per decomporre e accendere il propellente alternativo deve essere riscaldato prima dell'accensione. Il catalizzatore è attualmente preriscaldato elettricamente ad una temperatura di circa 350°C, che impiega circa 30 minuti prima di sparare, garantire la decomposizione del propellente. Un tempo di preaccensione così lungo è problematico in situazioni di emergenza, dove è richiesta una pronta accensione.

"Il team di Rheform si è quindi concentrato sulla sintesi di catalizzatori che richiedono temperature più basse per il preriscaldamento e sull'adattamento dei propellenti a base di ADN attualmente esistenti in modo che i materiali utilizzati nella camera di combustione siano compatibili con i materiali esistenti disponibili in Europa, " precisa il Dott. Michele Negri. Per raggiungere questo obiettivo, le attività di sviluppo sono state condotte sia sullo sviluppo del catalizzatore che sull'accensione catalitica.

Possibilità di abbassare la temperatura di accensione

L'obiettivo dei ricercatori era costruire una camera di decomposizione per il propellente in grado di "avviamento a freddo". Abbastanza presto, dopo aver testato 40 diversi catalizzatori in un reattore batch, il team si è reso conto che il contenuto d'acqua dei propellenti doveva essere vaporizzato prima di entrare in contatto con la fonte di accensione. La vaporizzazione è stata ottenuta ponendo un letto di calore all'ingresso della camera di combustione. Alcuni dei catalizzatori avevano temperature di accensione appena superiori a 100°C. Come afferma il dottor Negri, "Il piano di sviluppare un sistema catalitico in grado di avviare completamente a freddo non è stato ritenuto fattibile".

I ricercatori hanno esplorato due diversi tipi di catalizzatori:pellet di catalizzatore costituiti da grani grandi e strutture monolitiche modellate con canali interni che consentono il flusso del propellente. Le strutture monolitiche sono costruite con materiali ceramici. Il team del progetto ha eseguito diverse simulazioni per comprendere correttamente l'impatto delle proprietà dei materiali sulle prestazioni della struttura del catalizzatore per costruire infine una camera di decomposizione efficiente.

Tra i vari tipi di ceramica testati, i ricercatori hanno selezionato strutture in esaalluminato per la loro eccellente resistenza alle alte temperature e agli shock termici. Un'altra novità introdotta da Rheform è la stampa 3D di queste strutture ceramiche. La stampa 3D ha permesso loro di produrre monoliti con una geometria molto complessa. "Questa è la prima volta che le ceramiche stampate in 3D come le strutture in esaalluminato vengono utilizzate per i propellenti, " afferma il dottor Negri.

Il vero potenziale dei propellenti alternativi

Sia le agenzie spaziali europee che quelle americane hanno classificato i propellenti verdi per i sistemi di propulsione come una tecnologia ad alta priorità. L'obiettivo principale di Rheform era migliorare le prestazioni, ridurre i costi e ridurre al minimo l'esposizione a sostanze nocive con nuovi propellenti liquidi rispettosi dell'ambiente.

Come spiega il dottor Negri, "Uno dei grandi vantaggi dei propellenti alternativi all'idrazina è che sono più sicuri, riducendo anche la complessità e il costo dei test, spedizione, movimentazione e varo." Nel complesso, 13 satelliti SkySat sono stati lanciati da 4 posizioni diverse, il che dimostra chiaramente che tali propellenti privi di idrazina consentono flessibilità operativa e consentono il lancio di veicoli spaziali da siti diversi.