En ny generation raketdrivmedel för utforskning av rymden på djupet, såsom joniska flytande drivmedel med lång uthållighet och hög stabilitet, väcker stor uppmärksamhet. Dock, joniska flytande drivmedel är starkt begränsade av deras otillräckliga hypergoliska (spontanantändning) reaktivitet mellan bränslet och oxidationsmedlet, där denna defekt kan orsaka lokal utbrändhet och oavsiktliga explosioner under raketuppskjutning. I en ny rapport, Wen-Li Yuan och ett forskarlag i kemi vid Sichuan University i Kina och Idaho University i USA har föreslagit en visuell modell för att demonstrera egenskaper hos drivmedel för att uppskatta deras prestanda och tillämpningar. Materialgenomet och visualiseringsmodellen för drivmedlen förbättrade avsevärt effektiviteten och kvaliteten för att utveckla prestandadrivmedel med tillämpningar för att upptäcka nya och avancerade funktionella molekyler inom området energirika material. Verket är nu publicerat i Vetenskapens framsteg .

Rymdutforskning och materialgenommetoden.

En ny strategi för att upptäcka nya material presenterar en metod baserad på "materialgenom, " som förlitar sig på stordataanalys av målmaterialens strukturer och egenskaper för att upptäcka nya material. Forskare siktar på att konstruera artificiell intelligensprogram och screening för att analysera ett stort antal möjliga strukturer inom en kort tidsram med hjälp av metoden. Yuan et al. materialgenommetoden i detta arbete för att förutsäga den mest troliga hypergoliska tillsatsen. Människor har alltid varit fascinerade av rymdutforskning och har föreställt sig att resa genom rum-tid, även om tekniska begränsningar har hållit tillbaka denna ambition i tusentals år. För närvarande, Högpresterande rymdfarkoster är under utveckling med modern teknik för att uppnå bemannad och obemannad rymdnavigering inom låg omloppsbana runt jorden och genom vårt solsystem.

Kemisk energi som frigörs av ett drivmedel (raketbränsle) utgör kraftkällan för raketer och rymdfarkoster, och kan bestämma höjdområdet och livslängden för en rymdfarkost. Exempel inkluderar Atlas-Centaur-raketen baserad på flytande diväte och syrebränsle, på väg till Mars och Venus, samt Long March 3B-raketen innehållande UDMH (osymmetrisk dimetylhydrazin)/kvävetetroxid till månen. Dock, dessa högpresterande raketdrivmedel eller bränslen begränsas av hög toxicitet och sönderdelning, vid sidan av deras stabila existens endast vid extremt låga temperaturer. Behovet av en effektiv och systematisk metod för att designa högpresterande hypergoliska tillsatser finns därför. Materialgenommetoden kan minska den undersökningsperiod som krävs för att utveckla sådana nya material.

Upprättande av en genomdatabas för hypergoliska material

För att upprätta en genomdatabas för hypergoliska material, teamet identifierade nyckelstrukturer av hypergoliska föreningar och utforskade deras struktur-aktivitetsrelationer. En hypergolisk reaktion är en exoterm redoxreaktion (dvs. förbränning) där komponenter spontant kan antändas vid kontakt i en raketbrännare. Sådana föreningar är vanligtvis gjorda av gasalstrande element såsom kol och kväve. Ungefär som förhållandet mellan genen och dess baspar, det olika vätet (H), kol (C), kväve (N) och andra element utgör en serie hypergoliska funktionella grupper och ramverk för att generera hypergoliska föreningar som lämpliga raketdrivmedel. Materialen måste ha en tändningsfördröjningstid, en hög förbränningsentalpi och en hög specifik impuls för att bestämma raketernas totala energinyttolastkapacitet. Drivmedelstillsatser ska också vara stabila och kompatibla. Baserat på dessa krav, Yuan et al. tillhandahållit en direkt metod för att identifiera nyckelstrukturer av hypergoliska tillsatser från elementarsammansättningen av deras funktionella strukturer.

Kväve och kolrika energiska drivmedel

Kväverika energirika drivmedel kan öka energin utöver traditionella bränslen för att förbättra den specifika impulsen hos raketbränslen. Med hjälp av befintlig litteratur, forskarna fann sambandet mellan mer än 1000 drivmedel och deras blandningar för att förstå sambandet mellan deras elementära sammansättning och termiska nedbrytningsegenskaper. Drivmedel innehållande 30 till 50 procent kväveinnehåll hade den högsta termiska stabiliteten med nedbrytningstemperaturer över 200 grader Celsius. Forskarna härledde en lämplig kvävehalt för att uppfylla de specifika kraven och termisk stabilitet för högpresterande drivmedel. Innehållet av kolelement genererade också avsevärda mängder förbränningsvärme och gasformig koldioxid som är nödvändig för att rymdfarkoster ska kunna ge tillräcklig kemisk energi för att övervinna gravitationen. Baserat på entalpin för förbränning mellan kol och kväve, entalpin för förbränning av drivmedel var positivt relaterad till kolhalten. För att designa drivmedlen, teamet kombinerade gränserna för kväveelement i drivmedel med högsta tillåtna kolhalt för att uppnå bästa prestanda för specifik impuls och förbränningsentalpi.

Strukturell sammansättning och kvantanalys

Den strukturella sammansättningen var en annan nyckelfunktion hos högpresterande drivmedel för att bestämma deras stabilitet, antändningsbeteende och biologisk toxicitet. Joniska vätskor som består av katjoner och anjoner har unika fördelar av blandbarhet, flyktighet, hypotoxicitet och termisk stabilitet för att avsevärt minska risken för att utsätta operatören för aerosoler och deflagrering. Med hjälp av en screeningmetod, Yuan et al. tillhandahållit grundläggande vägledning för att snabbt utforma och identifiera målföreningar och överväga andra viktiga indikatorer, inklusive hypergolisk reaktivitet och densitet, för att välja den bästa prestandastrukturen.

Teamet genomförde sedan kvantanalys genom att undersöka molekylär orbital (MO) teori för anjoner som ett kriterium för att bestämma hypergolicitet och testade 15 anjoner, varav (1-metylhydrazinyl)tetrazolat (MHT) joniska vätskor uppfyllde alla krav för hypergoliska tillsatser. Genomdatabasen och screeningprocessen var därför avslutad. Yuan et al. studerade sedan strukturen och de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos MHT-joniska vätskor, inklusive densiteten, termisk stabilitet och detonationsegenskaper. Tillfälligtvis, det 1-butyl-3-metylimidazoliumkatjon (Bmim+)-baserade MHT-bränslet hade den högsta termiska nedbrytningstemperaturen, över 200 grader Celsius, som var säker under extrema förhållanden i rymden. Teamet testade också två ytterligare (Bmim+)-baserade drivmedel inklusive Bmim-baserad dicyanamid (BmimDCA) och Bmim 5-aminotetrazol (BmimAT) joniska vätskor.

Outlook – högpresterande drivmedel

Eftersom toxicitet var ett allvarligt problem i drivmedel, teamet testade toxiciteterna hos de joniska vätskorna med hjälp av en Vibrio fischeri-bakterie som kan bestämma materialens miljöacceptabilitet och toxikologiska parameter. De kombinerade joniska BmimMHT/BmimDCA-vätskorna var fördelaktiga som gröna drivmedel jämfört med traditionella bränslen. Den joniska DCA-vätskan var mer unik i förhållande till toxicitet, stabilitet och volatilitet. Baserat på vägledningen från materialgenommetoden för drivmedel, Yuan et al. kombinerade DCA-jonvätskan med BmimMHT, för att kompensera för det otillräckliga hypergoliska beteendet hos DCA.

På det här sättet, Wen-Li Yuan och kollegor designade en tidigare orealiserad familj av högpresterande drivmedel genom att använda genommetoden för drivmedelsmaterial. Den joniska MHT-vätskan löste antändningsbeteendet hos de DCA-joniska vätskorna. Designstrategin sammanfattade förhållandet struktur-aktivitet för drivmedel kombinerat med stabilitet, hypergolicitet och toxicitet i en först-i-studie materialgenommetod integrerad inom drivmedelsområdet. Genommetoden kommer att vägleda och främja molekylär design och tillämpning av nya material för att utveckla nya högpresterande drivmedel.

© 2020 Science X Network