I propellenti solidi elettrici vengono esplorati come un'opzione più sicura per la pirotecnica, estrazione, e propulsione nello spazio perché si accendono solo con una corrente elettrica. Ma poiché tutte queste applicazioni richiedono un calore elevato, è importante capire come le alte temperature modificano la chimica dei propellenti. Ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Università della Scienza e della Tecnologia del Missouri, e la NASA ha utilizzato un modello al computer che simula le proprietà termochimiche dei materiali ad alta temperatura per prevedere la termochimica di un nuovo propellente solido elettrico ad alte prestazioni.

"Nei propulsori al plasma pulsati di ablazione, c'è un plasma ad alta temperatura vicino alla superficie del propellente solido elettrico. Il calore provoca la rimozione o l'ablazione di piccole quantità di propellente dalla superficie e la vaporizzazione. Questo materiale asportato viene quindi accelerato ad alta velocità per spingere il razzo. Però, l'alta temperatura modifica anche la composizione chimica del materiale. Non avevamo le informazioni sulla composizione chimica fino ad ora, " disse Joshua Rovey, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Grainger College of Engineering presso l'U of I.

Di quanto caldo stiamo parlando? A titolo di esempio, 12, 000 gradi Kelvin è la temperatura della superficie di una stella. Il modello simulava temperature da 500 a 40, 000 gradi Kelvin.

A queste alte temperature, la chimica del propellente solido cambia. Il materiale Teflon convenzionale è composto da due atomi di carbonio e quattro fluoro legati l'uno all'altro. Mentre si abla, esce così caldo che le molecole si dissociano. I carboni ei fluoro si staccano l'uno dall'altro.

"Fa così caldo che gli elettroni si staccano da quegli atomi, " Ha detto Rovey. "Ora hai elettroni caricati negativamente che si muovono e ioni caricati positivamente che rimangono come un fluido. Il gas caldo viene espulso dal propulsore ad alte velocità che generano spinta e spingono il veicolo spaziale. Questo lavoro è un modello numerico per prevedere la termodinamica e l'equilibrio di questo propellente quando vaporizza e si trova a queste alte temperature".

La ricerca è iniziata con un modello numerico precedentemente sviluppato per il materiale in teflon e dati per fornire un punto di riferimento. Dopo aver confermato di aver simulato correttamente il Teflon, i ricercatori hanno utilizzato lo stesso modello, ma utilizzando le condizioni di ingresso del propellente elettrico ad alte prestazioni per prevederne la conduttività e la ionizzazione alle stesse temperature del Teflon.

Uno degli aspetti principali dello studio è che il propellente elettrico ad alte prestazioni ha un'entalpia maggiore, l'energia immagazzinata nel gas, a queste temperature estreme.

"Potremmo avere più di quelle che vengono chiamate perdite di flusso congelate associate a questo materiale rispetto al Teflon, " Rovey ha detto. "Il propellente elettrico ad alte prestazioni immagazzina più energia internamente nel gas. Per la propulsione, vogliamo che quell'energia vada ad accelerare il gas. Non vogliamo mettere molta energia in queste modalità interne. Sì, fa davvero gas caldo, ma vogliamo il gas ad alta velocità.

"Questo è uno degli aspetti negativi dell'utilizzo:immagazzinare più energia in queste modalità interne riduce l'efficienza. Ciò che questa ricerca ha mostrato è che la ragione è fondamentalmente dovuta alla termochimica del materiale, la composizione degli atomi e delle molecole nell'elettricità ad alte prestazioni. propellente e come rispondono al calore intenso e alle alte temperature."

Rovey ha affermato che le informazioni di questo lavoro possono essere applicate ad altre applicazioni di propellenti solidi, come la pirotecnica o l'ablazione laser.

"Che si tratti di un propulsore al plasma pulsato alimentato da ablazione, un laser che asporta una superficie, o un'altra tecnica di deposizione di energia, stiamo semplicemente studiando come si comporta questo materiale a diverse temperature, come cambia la sua composizione chimica".

Lo studio, "Proprietà termodinamiche del plasma a propellente solido elettrico a base di nitrato di idrossilammonio, " appare in Journal of Termofisica e trasferimento di calore .