I catalizzatori stampati in 3D ultra efficienti potrebbero aiutare a risolvere la sfida del surriscaldamento nei velivoli ipersonici e offrire una soluzione rivoluzionaria alla gestione termica in innumerevoli settori.

Sviluppato dai ricercatori di RMIT, i catalizzatori altamente versatili sono economici da realizzare e semplici da scalare.

Le dimostrazioni di laboratorio del team mostrano che i catalizzatori stampati in 3D potrebbero essere potenzialmente utilizzati per alimentare il volo ipersonico e contemporaneamente raffreddare il sistema.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Royal Society of Chemistry, Comunicazioni chimiche .

Il ricercatore capo, il dottor Selvakannan Periasamy, ha affermato che il loro lavoro ha affrontato una delle più grandi sfide nello sviluppo di velivoli ipersonici:controllare l'incredibile calore che si accumula quando gli aerei volano a più di cinque volte la velocità del suono.

“I nostri test di laboratorio mostrano che i catalizzatori stampati in 3D che abbiamo sviluppato hanno grandi promesse per alimentare il futuro del volo ipersonico, " disse Periasami.

"Potente ed efficiente, offrono una potenziale soluzione entusiasmante per la gestione termica nell'aviazione e oltre.

"Con un ulteriore sviluppo, speriamo che questa nuova generazione di catalizzatori stampati in 3D ultra efficienti possa essere utilizzata per trasformare qualsiasi processo industriale in cui il surriscaldamento è una sfida sempre presente".

Bisogno di velocità

Solo pochi aerei sperimentali hanno raggiunto la velocità ipersonica (definita come sopra Mach 5—oltre 6, 100 km all'ora o 1,7 km al secondo).

In teoria, un aereo ipersonico potrebbe viaggiare da Londra a Sydney in quattro ore, ma rimangono molte sfide nello sviluppo del viaggio aereo ipersonico, come i livelli di calore estremo.

Primo autore e dottorato di ricerca. La ricercatrice Roxanne Hubesch ha affermato che l'uso del carburante come refrigerante è stato uno degli approcci sperimentali più promettenti al problema del surriscaldamento.

"I combustibili in grado di assorbire il calore mentre alimentano un aereo sono un obiettivo chiave per gli scienziati, ma questa idea si basa su reazioni chimiche che consumano calore che richiedono catalizzatori altamente efficienti, "Ha detto Hubesch.

"Inoltre, gli scambiatori di calore dove il combustibile viene a contatto con i catalizzatori devono essere il più piccoli possibile, a causa degli stretti vincoli di volume e peso negli aerei ipersonici."

Per realizzare i nuovi catalizzatori, il team ha stampato in 3D minuscoli scambiatori di calore fatti di leghe metalliche e li ha rivestiti con minerali sintetici noti come zeoliti.

I ricercatori hanno replicato su scala di laboratorio le temperature e le pressioni estreme sperimentate dal carburante a velocità ipersoniche, per testare la funzionalità del loro design.

Reattori chimici in miniatura

Quando le strutture stampate in 3D si surriscaldano, parte del metallo si sposta nella struttura della zeolite, un processo cruciale per l'efficienza senza precedenti dei nuovi catalizzatori.

“I nostri catalizzatori stampati in 3D sono come reattori chimici in miniatura e ciò che li rende così incredibilmente efficaci è quel mix di metalli e minerali sintetici, "Ha detto Hubesch.

"È una nuova entusiasmante direzione per la catalisi, ma abbiamo bisogno di più ricerca per comprendere appieno questo processo e identificare la migliore combinazione di leghe metalliche per il massimo impatto".

I prossimi passi per il team di ricerca del Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry (CAMIC) di RMIT includono l'ottimizzazione dei catalizzatori stampati in 3D studiandoli con tecniche di sincrotrone a raggi X e altri metodi di analisi approfondita.

I ricercatori sperano anche di estendere le potenziali applicazioni del lavoro al controllo dell'inquinamento atmosferico per veicoli e dispositivi in ​​miniatura per migliorare la qualità dell'aria interna, particolarmente importante nella gestione dei virus respiratori nell'aria come il COVID-19.

Direttore CAMIC, Illustre professore Suresh Bhargava, ha affermato che l'industria chimica da trilioni di dollari era in gran parte basata sulla vecchia tecnologia catalitica.

"Questa terza generazione di catalisi può essere collegata alla stampa 3D per creare nuovi progetti complessi che in precedenza non erano possibili, "Bhargava ha detto.

“I nostri nuovi catalizzatori stampati in 3D rappresentano un approccio radicalmente nuovo che ha un potenziale reale per rivoluzionare il futuro della catalisi in tutto il mondo”.

I catalizzatori stampati in 3D sono stati prodotti utilizzando la tecnologia Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) nel Digital Manufacturing Facility, parte dell'Advanced Manufacturing Precinct di RMIT.

Bhargava e l'illustre professore Milan Brandt, direttore della Digital Manufacturing Facility, ha concettualizzato l'idea di catalizzatori stampati in 3D e progettazione di reattori chimici.

Il coautore dello studio Dr. Maciej Mazur, dal Centro RMIT per la produzione additiva, ha affermato che il lavoro è un forte esempio di innovazione resa possibile dalla collaborazione interdisciplinare.

"La combinazione della produzione additiva con le scienze chimiche ha prodotto risultati rivoluzionari, " disse Mazur.

"Zeoliti su struttura metallica aperta stampata in 3D:la migrazione dei metalli nella zeolite ha promosso il cracking catalitico dei combustibili endotermici per i veicoli di volo" è pubblicato in Comunicazioni chimiche .