Ultraeffektiva 3D-tryckta katalysatorer kan hjälpa till att lösa utmaningen med överhettning i hypersoniska flygplan och erbjuda en revolutionerande lösning för termisk hantering i otaliga industrier.

Utvecklad av forskare vid RMIT, de mycket mångsidiga katalysatorerna är kostnadseffektiva att göra och enkla att skala.

Teamets laboratoriedemonstrationer visar att 3D -tryckta katalysatorer potentiellt kan användas för att driva hypersonisk flygning samtidigt som systemet kyls.

Forskningen publiceras i Royal Society of Chemistry journal, Kemisk kommunikation .

Ledningsforskaren Dr Selvakannan Periasamy sa att deras arbete tacklade en av de största utmaningarna i utvecklingen av hypersoniska flygplan:att kontrollera den otroliga värmen som byggs upp när flygplan flyger med mer än fem gånger ljudets hastighet.

"Våra laboratorietester visar att de 3D -tryckta katalysatorerna vi har utvecklat har ett stort löfte för att ge framtiden för hypersonisk flygning, "Sa Periasamy.

"Kraftfull och effektiv, de erbjuder en spännande potentiell lösning för termisk hantering inom luftfart - och därefter.

"Med vidare utveckling, Vi hoppas att den här nya generationen av ultraeffektiva 3D-tryckta katalysatorer kan användas för att omvandla alla industriella processer där överhettning är en ständigt närvarande utmaning. "

Behov av hastighet

Endast ett fåtal experimentplan har nått hypersonisk hastighet (definierad som ovan Mach 5 - över 6, 100 km i timmen eller 1,7 km per sekund).

I teorin, ett hypersoniskt flygplan skulle kunna resa från London till Sydney på fyra timmar men många utmaningar återstår i utvecklingen av hypersoniska flygresor, som de extrema värmenivåerna.

Förste författare och doktorand forskaren Roxanne Hubesch sa att användning av bränsle som kylvätska var en av de mest lovande experimentella metoderna för överhettningsproblemet.

"Bränslen som kan absorbera värme medan de driver ett flygplan är ett viktigt fokus för forskare, men denna idé är beroende av värmekrävande kemiska reaktioner som kräver mycket effektiva katalysatorer, "Sa Hubesch.

"Dessutom, värmeväxlarna där bränslet kommer i kontakt med katalysatorerna måste vara så små som möjligt, på grund av de täta volym- och viktbegränsningarna i hypersoniska flygplan. "

För att göra de nya katalysatorerna, teamet 3D tryckt små värmeväxlare av metalllegeringar och belagde dem med syntetiska mineraler som kallas zeoliter.

Forskarna replikerade i laboratorieskala de extrema temperaturerna och trycket som bränslet upplevde vid hypersoniska hastigheter, för att testa funktionaliteten i deras design.

Miniatyrkemiska reaktorer

När de 3D -tryckta strukturerna värms upp, en del av metallen rör sig in i zeolitramen - en process som är avgörande för de nya katalysatorernas oöverträffade effektivitet.

"Våra 3D -tryckta katalysatorer är som kemiska miniatyrreaktorer och det som gör dem så otroligt effektiva är blandningen av metall och syntetiska mineraler, "Sa Hubesch.

"Det är en spännande ny riktning för katalys, men vi behöver mer forskning för att fullt ut förstå denna process och identifiera den bästa kombinationen av metalllegeringar för den största effekten. "

Nästa steg för forskargruppen från RMIT:s Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry (CAMIC) inkluderar optimering av 3D-tryckta katalysatorer genom att studera dem med röntgensynkrotrontekniker och andra fördjupade analysmetoder.

Forskarna hoppas också kunna utvidga de möjliga tillämpningarna av arbetet till luftföroreningskontroll för fordon och miniatyrenheter för att förbättra luftkvaliteten inomhus-särskilt viktigt vid hantering av luftburna luftvägsvirus som COVID-19.

CAMIC -chef, Ärade professor Suresh Bhargava, sa att den kemiska industrin på biljoner dollar till stor del var baserad på gammal katalytisk teknik.

"Denna tredje generation av katalys kan kopplas till 3D -utskrift för att skapa nya komplexa mönster som tidigare inte var möjliga, "Sa Bhargava.

"Våra nya 3D -tryckta katalysatorer representerar ett radikalt nytt tillvägagångssätt som har en verklig potential att revolutionera framtiden för katalys runt om i världen."

De 3D-tryckta katalysatorerna tillverkades med Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) -teknologi i Digital Manufacturing Facility, del av RMIT:s Advanced Manufacturing Precinct.

Bhargava och framstående professor Milan Brandt, chef för Digital Manufacturing Facility, konceptualiserade tanken på 3D -tryckta katalysatorer och kemisk reaktordesign.

Studera medförfattare Dr. Maciej Mazur, från RMIT Center for Additive Manufacturing, sa att arbetet var ett starkt exempel på innovation som möjliggjorts genom tvärvetenskapligt samarbete.

"Att kombinera additiv tillverkning med kemisk vetenskap har gett banbrytande resultat, Sa Mazur.

"Zeolites on 3D-Printed Open Metal Framework Structure:Metal migration into zeolit ​​promoted catalytic cracking of endothermic fuel for flight vehicles" publiceras i Kemisk kommunikation .