Visar sig, gröna bränslen är raketvetenskap.

Utforskning av rymden kan ha gett oss bilder av vår orörda, blå planeten jorden och ökad medvetenhet för att skydda vår miljö, men det är inte bra om raketerna som får oss att kretsa är baserade på gamla, giftiga drivmedel.

I årtionden, det vanligaste raketdrivmedlet har varit hydrazin, en giftig förening av kväve och väte som finns på EU:s lista över oroande ämnen. Det är också den misstänkta orsaken till onormalt höga frekvenser av hormonella och blodsjukdomar runt Baikonur-raketuppskjutningsplatsen i Kazakstan.

Det är därför som forskare vid German Aerospace Center (DLR) i Lampoldshausen arbetar med nya, grönare bränslen som kan framtidssäkra rymdutforskningsmetoder och göra dem miljövänliga.

Ansträngningarna är centrerade kring en förening som kallas ammoniumdinitramid (ADN), som vid upphettning sönderdelas till endast kväve, syre, och vatten.

"ADN var ett oxiderande salt som först hittades i Sovjetunionen, men återupptäcktes i Sverige på 1990-talet där man hade idén att utveckla det till ett flytande drivmedel, " sa Dr Michele Negri, ledare för ett rymdframdrivningsprojekt kallat RHEFORM.

Problemet är att ADN är ett salt, så det är fast. Även om det kan lösas upp i andra bränslen som metanol eller ammoniak, det krävs en hög temperatur - mer än 1500ºC - för att antända den.

"Hydrazinpropeller kräver inte förvärmning, om du bara öppnar ventilerna så börjar de skjuta. Å andra sidan, med en ADN-propeller om du bara öppnar ventilen så kommer blandningen ut i flytande form. Den skulle inte reagera, " sa Dr. Negri.

RHEFORM-projektet tittade på det ADN-baserade drivmedlet LMP-103S som används av ett svenskt rymdföretag vid namn ECAPS, som var projektpartner och redan har lanserat 13 framdrivningssystem baserade på föreningen.

Enkel tändning

För att ta itu med problemet med lätt antändning, projektet gick ut på att utveckla en bättre, mer reaktiv katalysator så att bränslet kunde reagera vid rumstemperatur. Hydrazin följde samma väg av tidig utveckling.

"I början på 60-talet kunde de inte elda i rumstemperatur, men sedan utvecklade de en katalysator som var tillräckligt bra, " sa Dr. Negri.

Sådana katalysatorer fungerar genom att öka ytan för reaktioner att äga rum, vilket gör det lättare för dem att uppstå vid lägre temperaturer, eller möjligen genom att tillsätta en förening som en metall för att öka reaktiviteten.

"Katalysatorn i pelletsform bestod endast av ett stöd (fas), vilket är själva pelletsen – vanligtvis ett keramiskt material med en hög specifik yta, " sa han. "Utöver det kan du placera en aktiv fas, som vanligtvis är en metall."

Efter att ha testat många material, raketforskarna fick reda på att hexaaluminat skulle vara det bästa basmaterialet.

Men tänk om enkla pellets kunde förbättras för att få en ännu mer idealisk yta för att göra dem mer reaktiva?

3d-utskrivning

Att få reda på, de använde datormodellering och 3D-utskrift för att skapa komplexa bikakeliknande strukturer som kallas monoliter, och därmed öka ytan.

"Detta gjordes i princip inom bilindustrin (vid skapande av katalysatorer), ersätta pelletsen med en monolitisk struktur.

Med kunskapen från vår projektpartner (3-D-utskriftsföretag) LITHOZ, vi kunde skriva ut mycket komplicerade strukturer i keramik, och sedan använda det som en katalysator, " sa Dr. Negri.

Katalysatorkeramiken sitter inne i tryckkammaren på en raketmotor, vilket drivmedel injiceras genom innan det tar sig ut genom motormunstycket under lanseringen.

"Vi kunde få dem att reagera i labbskala, strax över en temperatur på 100 grader, ", sa han. "Det ideala skulle vara om de kunde starta under normala miljöförhållanden, kräver ingen typ av förvärmning."

Dr. Negri säger att nästa steg för att uppnå rumstemperaturantändning av ADN förmodligen skulle vara att använda drivmedel som inte innehåller vatten.

Vatten gör drivmedel mer stabila, och säkrare att skicka, men det gör dem också mindre reaktiva.

"Man kan leka mycket med kompositionen för att hitta en bra avvägning mellan olika faktorer, till exempel prestanda, som specifik impuls, lagringsbarhet, eller explosivitet, " han sa.

Billigare

Förutom att vara grönare, ADN kan också vara billigare. "Att tanka en satellit med LMP-103S är mycket lättare än hydrazin, eftersom du vid den första lanseringen har spenderat bara en tredjedel av den arbetskraft som behövs för det mer farliga hydrazinet, " sa han. Även om drivmedlet är lite dyrare, den totala livskostnaden kan vara lägre, Dr Negri tillägger.

amerikanska rymdorganisationen NASA, which was not involved in the RHEFORM project, agrees that there is a need for greener rocket fuels and is working on a safer-to-handle propulsion system.

"While effective, hydrazine is highly toxic and requires special measures be taken for proper handling, " said Dayna Ise, programme executive of NASA's Technology Demonstration Missions.

"Non-toxic, "green" propellant and compatible systems offer a safer and more efficient alternative for the next generation of launch vehicles and spacecraft."