Infrarood met hoge snelheid onthult veiliger hypergolisch drijfgas

Toen SpaceX's Crew Dragon-capsule in augustus voor de kust van Florida naar beneden spatte na zijn eerste bemande missie, konden de twee astronauten erin de capsule niet onmiddellijk verlaten. Technici buiten moesten bevestigen dat er geen dampen in de lucht waren van hydrazine, een zeer giftige brandstof die wordt gebruikt door de hypergolische stuwraketten van het voertuig. Nu onderzoeken verbrandingsonderzoekers van Purdue University een veiliger en minder giftig hypergolisch drijfgas, waarbij ze de explosieve reactie ervan bestuderen met een nieuwe techniek waarbij zowel zichtbare als infrarood hogesnelheidscamera's betrokken zijn. Hypergolen zijn stoffen die onmiddellijk ontbranden wanneer ze met elkaar in contact komen.

"Hypergolen zijn gebruikt tot in het Apollo-tijdperk en daarvoor", zegt Steven Son, Purdue's Alfred J. McAllister hoogleraar werktuigbouwkunde, en een expert in energetische materialen zoals drijfgassen, explosieven en pyrotechniek. "Ze kunnen bij kamertemperatuur worden bewaard en ontbranden onmiddellijk wanneer ze worden gemengd, waardoor ze veelzijdiger en betrouwbaarder zijn dan cryogene brandstoffen."

Hoewel het gebruik ervan in raketten goed gedocumenteerd is, zijn de huidige hypergolische brandstoffen ook notoir gevaarlijk voor mensen om te hanteren en slecht voor het milieu. In tegenstelling tot de meeste andere hypergolische brandstoffen is ammoniakboraan (NH3BH3) een vast materiaal, stabiel in typische atmosferische omstandigheden. Vanwege de waterstofdichtheid werd het eerst ontwikkeld als een opslagmedium in vaste toestand voor waterstof. Maar verbrandingsonderzoekers hebben onlangs zijn hypergolische eigenschappen ontdekt, die kunnen worden gebruikt als onderdeel van een hybride drijfgas.

"Voordat dit in de echte wereld kan worden gebruikt, moeten we de fundamentele verbrandingswetenschap begrijpen die het gedrag bepaalt", zegt Chris Goldenstein, een universitair docent werktuigbouwkunde bij Purdue. "We gebruiken een nieuwe benadering die zichtbare en infraroodbeelden combineert om het verbrandingsproces te karakteriseren."

Infraroodbeeldvorming stelt onderzoekers in staat om de chemische samenstelling van de vlam tijdens het verbrandingsproces te zien. "Elk molecuul heeft een unieke spectrale vingerafdruk", zei Goldenstein. “Door te zoeken naar specifieke golflengten van licht, kunnen we identificeren waar in de ruimte bepaalde moleculen zijn verspreid en weten we hoe compleet het verbrandingsproces is. Veel van de gewenste golflengten zijn niet zichtbaar voor het blote oog, en infraroodbeeldvorming is de enige manier om ze te zien."

Omdat de reactie in slechts enkele milliseconden plaatsvindt, gebruiken de onderzoekers speciale camera's die minstens 2.000 frames per seconde kunnen vastleggen. De high-speed video onthult een opmerkelijke en snel uitbreidende groene flits, die de kracht van hypergolische substanties demonstreert.

"We beginnen over het algemeen met zeer kleine steekproeven", zegt Michael Baier, een Ph.D. student in Purdue's School of Aeronautics and Astronautics, die de experimenten uitvoert bij Zucrow Labs. “We gebruiken slechts een klein beetje poeder van het ammoniakboraan, en daarboven zit een spuit die een microliterdruppel van het oxidatiemiddel afgeeft, in dit geval wit rokend salpeterzuur. Zelfs dan maakt het een behoorlijk grote knal. Die paar milliseconden geven ons alle gegevens die we nodig hebben om de ontsteking te karakteriseren.”

Son zei:"Dankzij infraroodbeeldvorming zagen we veel BO2-signalen, wat voor ons verrassend was. Dit geeft aan dat ammoniakboraan zelfs beter een volledige verbranding bereikt dan conventionele boorbrandstoffen.”

Hoewel ammoniakboraan misschien minder toxisch is dan traditionele op hydrazine gebaseerde hypergolen, is het nog steeds redelijk gevaarlijk om mee te werken, net als alle energetische materialen. Maar Zucrow Labs doet al sinds 1948 onderzoek naar aandrijftechnologieën en is een van de weinige laboratoria in de academische wereld die volledig is uitgerust om energetische materialen te bestuderen.