Hochgeschwindigkeits-Infrarot zeigt sichereres hypergolisches Treibmittel

Als die Crew Dragon-Kapsel von SpaceX im August nach ihrer ersten bemannten Mission vor der Küste Floridas landete, konnten die beiden Astronauten im Inneren die Kapsel nicht sofort verlassen. Techniker draußen mussten bestätigen, dass keine Dämpfe von Hydrazin in der Luft waren, einem hochgiftigen Treibstoff, der von den hypergolischen Triebwerken des Fahrzeugs verwendet wird. Jetzt untersuchen Verbrennungsforscher der Purdue University ein sichereres und weniger giftiges hypergolisches Treibmittel und untersuchen seine explosive Reaktion mit einer neuen Technik, die sowohl sichtbare als auch infrarote Hochgeschwindigkeitskameras umfasst. Hypergolika sind Substanzen, die sich sofort entzünden, wenn sie miteinander in Kontakt kommen.

„Hypergolika wurden bis zurück zur Apollo-Ära und davor verwendet“, sagte Steven Son, Alfred J. McAllister-Professor für Maschinenbau bei Purdue und Experte für energetische Materialien wie Treibmittel, Sprengstoffe und Pyrotechnik. „Sie können bei Raumtemperatur gelagert werden und entzünden sich beim Mischen sofort, was sie vielseitiger und zuverlässiger macht als kryogene Brennstoffe.“

Obwohl ihre Verwendung in der Raketentechnik gut dokumentiert ist, sind die derzeitigen hypergolischen Treibstoffe auch notorisch gefährlich für den Menschen und schlecht für die Umwelt. Im Gegensatz zu den meisten anderen hypergolischen Brennstoffen ist Ammoniakboran (NH3BH3) ein festes Material, das unter typischen atmosphärischen Bedingungen stabil ist. Aufgrund seiner Wasserstoffdichte wurde es zunächst als Festkörperspeichermedium für Wasserstoff entwickelt. Aber Verbrennungsforscher haben kürzlich seine hypergolischen Eigenschaften entdeckt, die als Teil eines Hybridtreibstoffs verwendet werden könnten.

„Bevor dies in der realen Welt eingesetzt werden kann, müssen wir die grundlegende Verbrennungswissenschaft verstehen, die sein Verhalten bestimmt“, sagte Chris Goldenstein, ein Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Purdue. „Wir verwenden einen neuen Ansatz, der sichtbare und infrarote Bildgebung kombiniert, um den Verbrennungsprozess zu charakterisieren.“

Infrarot-Bildgebung ermöglicht es Forschern, die chemische Zusammensetzung der Flamme während des gesamten Verbrennungsprozesses zu sehen. „Jedes Molekül hat einen einzigartigen spektralen Fingerabdruck“, sagte Goldenstein. „Indem wir nach bestimmten Wellenlängen des Lichts suchen, können wir identifizieren, wo im Raum bestimmte Moleküle verteilt sind, und wissen, wie vollständig der Verbrennungsprozess ist. Viele der gewünschten Wellenlängen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, und die Infrarotbildgebung ist die einzige Möglichkeit, sie zu sehen.“

Da die Reaktion in nur wenigen Millisekunden abläuft, verwenden die Forscher Spezialkameras, die mindestens 2.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können. Das Hochgeschwindigkeitsvideo zeigt einen bemerkenswerten und sich schnell ausdehnenden grünen Blitz, der die Kraft hypergolischer Substanzen demonstriert.

„Wir beginnen im Allgemeinen mit sehr kleinen Proben“, sagte Michael Baier, Ph.D. Student an der Purdue School of Aeronautics and Astronautics, der die Experimente in den Zucrow Labs durchführt. „Wir verwenden nur ein kleines Pulver des Ammoniakborans, und darüber befindet sich eine Spritze, die einen Mikrolitertröpfchen des Oxidationsmittels abgibt, das in diesem Fall weiße rauchende Salpetersäure ist. Selbst dann macht es einen ziemlich großen Knall. Diese wenigen Millisekunden liefern uns alle Daten, die wir zur Charakterisierung der Zündung benötigen.“

Son sagte:„Dank der Infrarotbildgebung haben wir viele BO2-Signale gesehen, was für uns überraschend war. Dies weist darauf hin, dass Ammoniakboran eine vollständige Verbrennung sogar noch besser erreicht als herkömmliche Borbrennstoffe.“

Obwohl Ammoniakboran möglicherweise weniger toxisch ist als herkömmliche Hypergolika auf Hydrazinbasis, ist es immer noch ziemlich gefährlich, damit zu arbeiten, wie es bei allen energetischen Materialien der Fall ist. Aber Zucrow Labs forscht seit 1948 an Antriebstechnologien und ist eines der wenigen Labore in der Wissenschaft, das vollständig ausgestattet ist, um energetische Materialien zu untersuchen.