Elektriska fasta drivmedel undersöks som ett säkrare alternativ för pyroteknik, brytning, och framdrivning i rymden eftersom de bara antänds med en elektrisk ström. Men eftersom alla dessa applikationer kräver hög värme, det är viktigt att förstå hur de höga temperaturerna förändrar drivmedlens kemi. Forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign, Missouri University of Science and Technology, och NASA använde en datormodell som simulerar de termokemiska egenskaperna hos högtemperaturmaterial för att förutsäga termokemin hos ett nytt högpresterande elektriskt fast drivmedel.

"I ablationspulsade plasmapropeller, det finns en högtemperaturplasma bredvid ytan av det elektriska fasta drivmedlet. Värmen gör att små mängder av drivmedlet avlägsnas från eller ablateras från ytan och förångas. Detta ablerade material accelereras sedan till höga hastigheter för att driva raketen. Dock, den höga temperaturen förändrar också materialets kemiska sammansättning. Vi hade inte den kemiska sammansättningsinformationen förrän nu, sa Joshua Rovey, docent vid institutionen för rymdteknik vid Grainger College of Engineering vid U of I.

Hur hett pratar vi om? Som ett exempel, 12, 000 grader Kelvin är temperaturen på ytan av en stjärna. Modellen simulerade temperaturer från 500 till 40, 000 grader Kelvin.

Vid dessa höga temperaturer, det fasta drivmedlets kemi förändras. Det konventionella teflonmaterialet består av två kol och fyra fluorer som är bundna till varandra. När det avtar, det blir så varmt att molekylerna dissocierar. Kolen och fluorerna lossnar från varandra.

"Det är så varmt att elektroner lossnar från dessa atomer, " Sa Rovey. "Nu har du negativt laddade elektroner som rör sig och positivt laddade joner som finns kvar som en vätska. Den heta gasen sprutas ut från propellern med höga hastigheter som genererar dragkraft och driver rymdfarkoster. Detta arbete är en numerisk modell för att förutsäga termodynamiken och jämvikten för detta drivmedel när det förångas och är vid dessa höga temperaturer."

Forskningen började med en tidigare utvecklad numerisk modell för teflonmaterialet och data för att ge ett riktmärke. Efter att ha bekräftat att de simulerade Teflon korrekt, forskarna använde samma modell, men genom att använda ingångsförhållanden för det högpresterande elektriska drivmedlet för att förutsäga dess ledningsförmåga och jonisering vid samma temperaturer som teflon.

En primär faktor från studien är att det högpresterande elektriska drivmedlet har en högre entalpi - energi lagrad i gasen - vid dessa extrema temperaturer.

"Vi kan ha mer av det som kallas frusna flödesförluster förknippade med detta material än med teflon, " Sa Rovey. "Det högpresterande elektriska drivmedlet lagrar mer energi internt i gasen. För framdrivning, vi vill att energin ska gå till att accelerera gasen. Vi vill inte lägga mycket energi på dessa interna lägen. Ja, den gör riktigt het gas, men vi vill ha höghastighetsgas.

"Det är en av nackdelarna med att använda det - att lagra mer energi i dessa interna lägen minskar effektiviteten. Vad den här forskningen visade är att orsaken i grunden beror på materialets termokemi - sammansättningen av atomerna och molekylerna i högpresterande elektriska drivmedel och hur de reagerar på intensiv värme och höga temperaturer."

Rovey sa att informationen från detta arbete kan tillämpas på andra applikationer för fasta drivmedel, såsom pyroteknik eller vid laserablation.

"Oavsett om det är en ablationsmatad pulsad plasmapropeller, en laser ablaterar en yta, eller annan energiavsättningsteknik, vi studerar helt enkelt hur detta material beter sig vid olika temperaturer - hur dess kemiska sammansättning förändras."

Studien, "Termodynamiska egenskaper hos hydroxylammoniumnitratbaserat elektriskt fast drivgasplasma, " visas i Journal of Thermophysics and Heat Transfer .