Catalizadores 3D para unos mejores propergoles sin hidracina
La hidracina es extremadamente tóxica, corrosiva y cancerígena para los organismos vivos. En 2011, la Comisión Europea la incluyó entre los candidatos para la lista de sustancias extremadamente preocupantes, regulada por el marco de registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias químicas (REACH). Desde entonces, universidades, institutos de investigación e industrias de toda Europa han estudiado y probado activamente propergoles no tóxicos que puedan sustituir a los propergoles a base de hidracina. Uno de los proyectos que se centró en propergoles alternativos para los sistemas de propulsión espacial fue el proyecto Rheform. Con financiación de la UE, los investigadores se dedicaron a mejorar los propergoles basados en dinitroamida de amonio. La sustitución de la hidracina por nuevos propergoles permitirá que la propulsión espacial sea más sostenible en misiones futuras. Superar los desafíos actuales Aunque los propergoles alternativos cuentan con ciertas características que los hacen muy recomendables para su uso en lanzaderas y vehículos espaciales, también presentan limitaciones. La temperatura de combustión del LMP-103S (una mezcla de dinitroamida de amonio, agua, metanol y amoníaco) es de 1 600 °C, superando considerablemente la de la hidracina, de alrededor de 900 °C. Para soportar tales temperaturas, las cámaras de combustión utilizan materiales especiales que cumplen ciertos criterios del Reglamento estadounidense sobre el tráfico internacional de armas (ITAR). Otro gran problema es que el catalizador empleado para propergoles y provocar la ignición de los propergoles alternativos debe calentarse antes de la ignición. Actualmente, el catalizador se calienta previamente por medios eléctricos a una temperatura de alrededor de 350 °C, lo cual tarda unos 30 minutos antes del encendido, para garantizar la descomposición del propergol. Este periodo de ignición previa tan prolongado resulta problemático en situaciones de emergencia, cuando se requiere una ignición rápida. «El equipo de Rheform, por tanto, se ha concentrado en sintetizar catalizadores que requieren temperaturas inferiores para el calentamiento previo y en adaptar los propergoles basados en dinitroamida de amonio existentes en la actualidad para que los materiales empleados en la cámara de combustión sean compatibles con los materiales disponibles en Europa», señala el doctor Michele Negri. Para lograrlo, las actividades de desarrollo abordaron tanto el desarrollo de catalizadores como la ignición catalítica. Viabilidad de una reducción de la temperatura de ignición El objetivo de los investigadores era construir una cámara de descomposición para el propergol que fuese capaz de realizar un «arranque en frío». En poco tiempo, tras probar cuarenta catalizadores diferentes en un reactor discontinuo, el equipo se percató de que el contenido de agua de los propergoles debía vaporizarse antes de entrar en contacto con la fuente de ignición. La vaporización se logró colocando un lecho térmico en la entrada de la cámara de combustión. Algunos catalizadores presentaban unas temperaturas de ignición ligeramente superiores a 100 °C. Tal como explica el doctor Negri, «el plan de desarrollar un sistema catalítico capaz de realizar un arranque en frío completo no se consideró viable». Catalizadores más fuertes con impresión 3D Los investigadores estudiaron dos tipos diferentes de catalizadores: pastillas de energía catalizadoras fabricadas mediante cereales de grano grande y estructuras monolíticas surcadas por canales internos que permiten el flujo del propergol. Las estructuras monolíticas están fabricadas de materiales cerámicos. El equipo del proyecto realizó diversas simulaciones para comprender debidamente el impacto de las propiedades de los materiales sobre el rendimiento de la estructura del catalizador, con el fin de desarrollar una cámara de descomposición eficaz. Entre los diferentes tipos de cerámica probados, los investigadores seleccionaron estructuras de aluminatos hexagonales por su magnífica resistencia a altas temperaturas e impactos térmicos. Otra novedad introducida por Rheform fue la impresión 3D de estas estructuras cerámicas. La impresión 3D les permitió producir monolitos con una geometría muy compleja. «Es la primera vez que se utiliza cerámica impresa en 3D, como estructuras de aluminatos hexagonales, para propergoles», señala el doctor Negri. El verdadero potencial de los propergoles alternativos Tanto la agencia espacial europea como la estadounidense consideran los propergoles de categoría ecológica para sistemas de propulsión como una tecnología de máxima prioridad. El principal objetivo de Rheform era mejorar el rendimiento, reducir los costes y minimizar la exposición a sustancias nocivas mediante nuevos propergoles líquidos respetuosos con el medio ambiente. Tal como explica el doctor Negri, «una de las principales ventajas de los propergoles alternativos a la hidracina es que son más seguros, al tiempo que disminuyen la complejidad y el coste de las pruebas, los envíos, la manipulación y el lanzamiento». En conjunto, se lanzaron trece satélites SkySat desde cuatro ubicaciones diferentes, lo cual demuestra claramente que estos propergoles sin hidracina ofrecen flexibilidad operativa y permiten el lanzamiento de vehículos espaciales desde diversos lugares.
Palabras clave
Rheform, propergoles, catalizadores, hidracina, dinitroamida de amonio, impresión 3D, propulsión espacial, estructura cerámica