Hydrazin, en av de mest använda flytande drivmedlen för rymdframdrivningssystem, är också extremt giftig. EU-forskare har utvecklat 3D-katalysatorer för att antända alternativa drivmedel.

Hydrazin är mycket giftigt, frätande, och cancerframkallande för levande organismer. Under 2011, Europeiska kommissionen inkluderade hydrazin bland kandidaterna för listan över ämnen som väcker mycket oro, som regleras av REACH-ramverket (Registration of Evaluation Authorization and Restriction of Chemicals). Sedan dess, universitet, forskningsinstitut och industrier över hela Europa har aktivt undersökt och testat giftfria drivmedel som en möjlig ersättning för hydrazinbaserade drivmedel.

Ett av projekten som har fokuserat på alternativa drivmedel för rymdframdrivningssystem var Rheform-projektet. Finansieras av EU, forskare arbetade med att förbättra drivmedel baserade på ammoniumdinitramid (ADN). Att ersätta hydrazin med nya drivmedel kommer att göra rymdframdrivningen mer hållbar för framtida uppdrag.

Att övervinna nuvarande utmaningar

Även om alternativa drivmedel har egenskaper som gör dem mycket önskvärda för användning i bärraketer och rymdfarkoster, dessa fördelar kommer med begränsningar. Förbränningstemperaturen för LMP-103S – en blandning av ADN, vatten, metanol och ammoniak – är 1600 °C, mycket högre än för hydrazin, vilket är cirka 900 °C. För att klara sådana temperaturer, Förbränningskammare använder speciella material som uppfyller vissa kriterier i International Traffic in Arms Regulations (ITAR) i USA.

Ett annat stort problem är att katalysatorn som används för att sönderdela och antända det alternativa drivmedlet måste värmas upp före antändning. Katalysatorn är för närvarande elektriskt förvärmd till en temperatur på cirka 350°C, som tar cirka 30 minuter innan avfyring, för att säkerställa nedbrytning av drivmedlet. Så lång förtändningstid är problematisk i nödsituationer, där en snabb tändning krävs.

"Rheform-teamet har därför fokuserat på att syntetisera katalysatorer som kräver lägre temperaturer för förvärmning och att anpassa de nuvarande ADN-baserade drivmedlen så att materialen som används i förbränningskammaren är kompatibla med befintliga material som finns tillgängliga i Europa, " påpekar Dr Michele Negri. För att uppnå detta mål, utvecklingsaktiviteter genomfördes både för katalysatorutveckling och katalytisk tändning.

Möjlighet att sänka antändningstemperaturen

Forskarnas mål var att bygga en nedbrytningskammare för drivmedlet som är kapabel att "kallstarta". Snart nog, efter att ha testat 40 olika katalysatorer i en batchreaktor, teamet insåg att vattenhalten i drivmedlen måste förångas innan de kom i kontakt med antändningskällan. Förångningen åstadkoms genom att placera en värmebädd vid ingången till förbränningskammaren. Några av katalysatorerna hade antändningstemperaturer strax över 100°C. Som Dr. Negri säger, "Planen att utveckla ett katalytiskt system som klarar en fullständig kallstart ansågs inte vara genomförbar."

Forskare har utforskat två olika typer av katalysatorer:katalysatorpellets gjorda av stora korn och monolitiska strukturer mönstrade med inre kanaler som gör att drivmedlet kan flöda. Monolitstrukturer är byggda av keramiska material. Projektgruppen utförde flera simuleringar för att korrekt förstå inverkan av materialegenskaper på katalysatorstrukturens prestanda för att i slutändan bygga en effektiv nedbrytningskammare.

Bland de olika typerna av keramik som testats, forskare valde ut hexaaluminatstrukturer för deras utmärkta motståndskraft mot höga temperaturer och termiska stötar. En annan nyhet som introducerats av Rheform är 3D-utskrift av dessa keramiska strukturer. 3D-utskrift gjorde det möjligt för dem att producera monoliter med en mycket komplex geometri. "Detta är första gången som 3-D-tryckt keramik som hexaaluminatstrukturer används för drivmedel, " konstaterar Dr. Negri.

Alternativa drivmedels verkliga potential

Både europeiska och amerikanska rymdorganisationer har klassat gröna drivmedel för framdrivningssystem som en högprioriterad teknik. Huvudmålet med Rheform var att förbättra prestanda, minska kostnaderna och minimera exponeringen för skadliga ämnen med nya miljövänliga flytande drivmedel.

Som Dr. Negri förklarar, "En av de stora fördelarna med drivmedel som alternativ till hydrazin är att de är säkrare, samtidigt som det minskar komplexiteten och kostnaderna för testning, frakt, hantering och sjösättning." Sammantaget, 13 SkySat-satelliter lanserades från fyra olika platser, vilket tydligt visar att sådana hydrazinfria drivmedel tillåter operationell flexibilitet och tillåter uppskjutning av rymdfarkoster från olika platser.