Una nuova generazione di propellenti per razzi per l'esplorazione dello spazio profondo come i propellenti liquidi ionici con lunga durata ed elevata stabilità, stanno attirando una notevole attenzione. Però, i propellenti liquidi ionici sono fortemente limitati dalla loro inadeguata reattività ipergolica (accensione spontanea) tra il combustibile e l'ossidante, dove questo difetto può causare burnout locale ed esplosioni accidentali durante il lancio del razzo. In un nuovo rapporto, Wen-Li Yuan e un gruppo di ricerca in Chimica presso l'Università del Sichuan in Cina e l'Università dell'Idaho negli Stati Uniti hanno proposto un modello visivo per dimostrare le caratteristiche dei propellenti per stimarne le prestazioni e le applicazioni. Il genoma dei materiali e il modello di visualizzazione dei propellenti hanno notevolmente migliorato l'efficienza e la qualità dello sviluppo di propellenti ad alte prestazioni con applicazioni per scoprire molecole funzionali nuove e avanzate nel campo dei materiali energetici. L'opera è ora pubblicata in Progressi scientifici .

L'esplorazione dello spazio e il metodo del genoma dei materiali.

Una recente strategia per scoprire nuovi materiali presenta un metodo basato su "materiali genomi, " che si basa sull'analisi dei big data delle strutture e delle proprietà dei materiali target per scoprire nuovi materiali. I ricercatori mirano a costruire programmi di intelligenza artificiale e screening per analizzare un gran numero di possibili strutture in un breve lasso di tempo utilizzando il metodo. Yuan et al. applicato il metodo del genoma dei materiali in questo lavoro per prevedere il più probabile additivo ipergolico.Gli esseri umani sono sempre stati affascinati dall'esplorazione dello spazio e hanno immaginato di viaggiare attraverso lo spazio-tempo, sebbene i limiti tecnologici abbiano trattenuto questa ambizione per migliaia di anni. Attualmente, veicoli spaziali ad alte prestazioni sono in fase di sviluppo con tecnologie moderne per ottenere la navigazione spaziale con equipaggio e senza equipaggio all'interno dell'orbita terrestre bassa e attraverso il nostro sistema solare.

L'energia chimica rilasciata da un propellente (carburante per razzi) costituisce la fonte di energia di razzi e veicoli spaziali, e può determinare la gamma di altitudine e la vita di servizio di un veicolo spaziale. Gli esempi includono il razzo Atlas-Centaur basato su diidrogeno liquido e carburante a base di ossigeno, diretto a Marte e Venere, così come il razzo Long March 3B contenente UDMH (dimetilidrazina asimmetrica)/tetrossido di azoto sulla luna. Però, questi propellenti o combustibili per razzi ad alte prestazioni sono limitati dall'elevata tossicità e decomposizione, accanto alla loro esistenza stabile solo a temperature estremamente basse. Esiste quindi la necessità di un metodo efficiente e sistematico per progettare additivi ipergolici ad alte prestazioni. Il metodo del genoma dei materiali può ridurre il periodo di indagine necessario per sviluppare tali nuovi materiali.

Creazione di un database del genoma dei materiali ipergolici

Per stabilire un database del genoma dei materiali ipergolici, il team ha identificato le strutture chiave dei composti ipergolici e ne ha esplorato le relazioni struttura-attività. Una reazione ipergolica è una reazione redox esotermica (cioè, combustione) in cui i componenti possono accendersi spontaneamente al contatto in un combustore a razzo. Tali composti sono tipicamente costituiti da elementi generatori di gas come carbonio e azoto. Proprio come la relazione tra il gene e la sua coppia di basi, il diverso idrogeno (H), carbonio (C), l'azoto (N) e altri elementi costituiscono una serie di gruppi funzionali ipergolici e strutture per generare composti ipergolici come propellenti per razzi adatti. I materiali dovevano avere un tempo di ritardo di accensione, un'elevata entalpia di combustione e un elevato impulso specifico per determinare la capacità di carico utile totale di energia dei razzi. Anche gli additivi propellenti dovrebbero essere stabili e compatibili. Sulla base di questi requisiti, Yuan et al. fornito un metodo diretto per identificare le strutture chiave degli additivi ipergolici dalla composizione elementare delle loro strutture funzionali.

Propellenti energetici ricchi di azoto e carbonio

I propellenti energetici ricchi di azoto possono aumentare l'energia oltre i combustibili tradizionali per migliorare l'impulso specifico dei combustibili per missili. Utilizzando la letteratura esistente, i ricercatori hanno scoperto la relazione di oltre 1000 propellenti e le loro miscele per comprendere la connessione tra la loro composizione elementare e le proprietà di decomposizione termica. I propellenti contenenti dal 30 al 50 percento di contenuto di azoto avevano la massima stabilità termica con temperature di decomposizione superiori a 200 gradi Celsius. I ricercatori hanno dedotto un contenuto di azoto appropriato per soddisfare i requisiti specifici e la stabilità termica per i propellenti ad alte prestazioni. Il contenuto di elementi di carbonio ha anche generato notevoli quantità di calore di combustione e anidride carbonica gassosa necessari per la propulsione dei veicoli spaziali per fornire energia chimica sufficiente per superare la gravità. Basandosi sull'entalpia di combustione tra carbonio e azoto, l'entalpia della combustione del propellente era positivamente correlata al contenuto di carbonio. Per progettare i propellenti, il team ha combinato i limiti degli elementi di azoto nei propellenti con il più alto contenuto di carbonio consentito per ottenere le migliori prestazioni per l'impulso specifico e l'entalpia di combustione.

Composizione strutturale e analisi quantistica

La composizione strutturale era un'altra caratteristica chiave dei propellenti ad alte prestazioni per determinarne la stabilità, comportamento all'accensione e tossicità biologica. I liquidi ionici composti da cationi e anioni hanno vantaggi unici di miscibilità, volatilità, ipotossicità e stabilità termica per ridurre notevolmente il rischio di esporre l'operatore ad aerosol e deflagrazione. Utilizzando un metodo di screening, Yuan et al. ha fornito una guida di base per progettare e identificare rapidamente i composti target e ha considerato altri indicatori importanti, compresa la reattività ipergolica e la densità, per selezionare la migliore struttura prestazionale.

Il team ha quindi condotto un'analisi quantistica studiando la teoria degli orbitali molecolari (MO) degli anioni come criterio per determinare l'ipergolicità e ha testato 15 anioni, di cui liquidi ionici (1-metilidrazinil)tetrazolato (MHT) soddisfacevano tutti i requisiti degli additivi ipergolici. Il database del genoma e il processo di screening erano quindi completi. Yuan et al. ha poi studiato la struttura e le proprietà fisico-chimiche dei liquidi ionici MHT, compresa la densità, stabilità termica e proprietà di detonazione. per inciso, il combustibile MHT a base di 1-butil-3-metilimidazolo catione (Bmim+) aveva la più alta temperatura di decomposizione termica, oltre i 200 gradi Celsius, che era sicuro in condizioni estreme nello spazio. Il team ha anche testato altri due propellenti a base di (Bmim+), inclusi i liquidi ionici dicianammide a base di Bmim (BmimDCA) e Bmim 5-amminotetrazolo (BmimAT).

Outlook:propellenti ad alte prestazioni

Poiché la tossicità era un problema serio nei propellenti, il team ha testato la tossicità dei liquidi ionici utilizzando un batterio Vibrio fischeri in grado di determinare l'accettabilità ambientale e il parametro tossicologico dei materiali. I liquidi ionici combinati BmimMHT/BmimDCA erano vantaggiosi come propellenti verdi rispetto ai combustibili tradizionali. Il liquido ionico DCA era più unico rispetto alla tossicità, stabilità e volatilità. Sulla base della guida del metodo del genoma materiale dei propellenti, Yuan et al. combinato il liquido ionico DCA con BmimMHT, per compensare l'insufficiente comportamento ipergolico del DCA.

In questo modo, Wen-Li Yuan e colleghi hanno progettato una famiglia di propellenti ad alte prestazioni mai realizzata in precedenza utilizzando il metodo del genoma dei materiali propellenti. Il liquido ionico MHT ha risolto con successo il comportamento di accensione dei liquidi ionici DCA. La strategia di progettazione ha riassunto la relazione struttura-attività dei propellenti combinata con la stabilità, ipergolicità e tossicità in un metodo genomico di materiali di prima scelta integrato nel campo dei propellenti. L'approccio genomico guiderà e promuoverà la progettazione molecolare e l'applicazione di nuovi materiali per sviluppare nuovi propellenti ad alte prestazioni.

© 2020 Scienza X Rete