Hoge-snelheid infrarood onthult veiliger hypergolische brandstof

toen SpaceX's Crew Dragon capsule in augustus na zijn eerste bemande missie voor de kust van Florida neerstortte, konden de twee astronauten erin niet direct uitstappen. Technici buiten moesten bevestigen dat er geen luchtgetragen dampen van hydrazine waren, een hoogst giftige brandstof gebruikt door de hypergolische duwkers van het voertuig. Nu onderzoeken Purdue University verbrandingsonderzoekers een veiliger en minder giftige hypergolische brandstof, bestudeerend haar explosieve reactie met een nieuwe techniek die zowel zichtbare als infrarode hoge-snelheidscamera's involverte. Hypergolische stoffen zijn stoffen die direct ontbranden wanneer ze in contact komen met elkaar.

"Hypergolische stoffen zijn gebruikt vanaf de Apollo-tijd en daarvoor," zei Steven Son, Purdue's Alfred J. McAllister Professor van Werktuigbouwkunde, en expert in energierijke materialen zoals brandstoffen, explosieven en pyrotechnica. "Ze kunnen bij kamertemperatuur opgeslagen worden, en ze ontbranden direct wanneer gemengd, wat ze veelzijdiger en betrouwbaarder maakt dan cryogene brandstoffen."

Hoewel hun gebruik in raketwetenschap goed gedocumenteerd is, zijn huidige hypergolische brandstoffen ook berucht gevaarlijk voor mensen om te hanteren, en slecht voor het milieu. In tegenstelling tot de meeste andere hypergolische brandstoffen, is ammonia borane (NH3BH3) een vast materiaal, stabiel in typische atmosferische omstandigheden. Vanwege zijn waterstofdensiteit, werd het eerst ontwikkeld als een vastestof-opslagmedium voor waterstof. Maar verbrandingsonderzoekers hebben recentelijk zijn hypergolische eigenschappen ontdekt, wat gebruikt kan worden als deel van een hybride brandstof.

"Voordat dit in de echte wereld gebruikt kan worden, moeten we de fundamentele verbrandingswetenschap die zijn gedrag beheerst begrijpen," zei Chris Goldenstein, een Purdue-assistentprofessor van werktuigbouwkunde. "We gebruiken een nieuwe benadering die zichtbare en infrarode imaging combineert om het verbrandingsproces te karakteriseren."

Infrarode imaging stelt onderzoekers in staat de chemische samenstelling van de vlam door het verbrandingsproces heen te zien. "Elk molecuul heeft een unieke spectrale vingerafdruk," zei Goldenstein. "Door te zoeken naar specifieke golflengtes van licht, kunnen we identificeren waar in de ruimte bepaalde moleculen verdeeld zijn en weten hoe volledig het verbrandingsproces is. Veel van de gewenste golflengtes zijn niet zichtbaar voor het blote oog, en infrarode imaging is de enigste manier om ze te zien."

Omdat de reactie plaatsvindt in slechts een paar milliseconden, gebruiken de onderzoekers specialiteitscamera's die minstens 2.000 frames per seconde kunnen vastleggen. De hoge-snelheidsvideo onthult een opmerkelijke en snel uitdijnde groene flits, wat de kracht van hypergolische stoffen demonstreert.

"We beginnen doorgaans met heel kleine monsters," zei Michael Baier, een Ph.D.-student in Purdue's School of Aeronautics and Astronautics, die de experimenten uitvoert in Zucrow Labs. "We gebruiken slechts een beetje poeder van de ammonia borane, en erboven is een spuit die een microliter druppel van de oxidator uitlevert, wat in dit geval wit rookende salpeterzuur is.zelfs dan, maakt het een tamelijk grote knal. Die paar milliseconden geven ons alle data die we nodig hebben om de ontbranding te karakteriseren."

Son zei: "Dankzij infrarode imaging zagen we veel BO2-signaal, wat verrassend was voor ons. Dit wijst erop dat ammonia borane complete verbranding bereikt zelfs beter dan conventionele boorbrandstoffen."

Hoewel ammonia borane minder giftig kan zijn dan traditionele hydrazine-gebaseerde hypergolische stoffen, is het nog steeds redelijk gevaarlijk om mee te werken, als alle energierijke materialen. Maar Zucrow Labs onderzoekt aandrijvingstechnologieën sinds 1948 en is een van de weinig labs in de academie die volledig uitgerust is om energierijke materialen te bestuderen.