Hochgeschwindigkeits-Infrarot deckt sichereren hypergolen Treibstoff auf

Als SpaceXs Crew Dragon Kapsel im August nach ihrem ersten bemannten Einsatz vor der Küste Floridas ins Wasser landete, konnten die beiden Astronauten innen die Kapsel nicht sofort verlassen. Techniker draußen mussten bestätigen, dass keine luftgetragenen Dämpfe von Hydrazin, einem hochgiftigen Treibstoff, den die hypergolen Triebwerke des Fahrzeugs nutzen, vorhanden waren. Jetzt untersuchen Purdue-Universitäts-Verbrennungsforscher einen sichereren und weniger giftigen hypergolen Treibstoff und studieren seine explosive Reaktion mit einer neuen Technik, die sowohl sichtbare als auch Infrarot-Hochgeschwindigkeitskameras einbezieht. Hypergole sind Substanzen, die augenblicklich entzünden, wenn sie in Kontakt miteinander kommen.

„Hypergole werden bis zurück zur Apollo-Ära und davor verwendet“, sagte Steven Son, Purdues Alfred J. McAllister Professor für Maschinenbau und Experte für energiereiche Materialien wie Treibstoffe, Explosive und Pyrotechnik. „Sie können bei Raumtemperatur gelagert werden und entzünden sich sofort beim Mischen, was sie vielseitiger und zuverlässiger macht als kryogene Treibstoffe.“

Obwohl ihre Verwendung in der Raketentechnik gut dokumentiert ist, sind aktuelle hypergole Treibstoffe auch notorisch gefährlich für Menschen im Handling und schlecht für die Umwelt. Im Gegensatz zu den meisten anderen hypergolen Treibstoffen ist Ammoniakboran (NH3BH3) ein festes Material, stabil unter typischen atmosphärischen Bedingungen. Aufgrund seiner Wasserstoffdichte wurde es erstmals als Feststoffspeichermedium für Wasserstoff entwickelt. Aber Verbrennungsforscher haben kürzlich seine hypergolen Eigenschaften entdeckt, die als Teil eines Hybridtreibstoffs genutzt werden könnten.

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

Infrarot-Imaging ermöglicht Forschern, die chemische Zusammensetzung der Flamme während des gesamten Verbrennungsprozesses zu sehen. „Jedes Molekül hat einen einzigartigen spektralen Fingerabdruck“, sagte Goldenstein. „Indem wir nach spezifischen 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 für das bloße Auge nicht sichtbar, und Infrarot-Imaging ist der einzige Weg, sie zu sehen.“

Da die Reaktion in nur wenigen Millisekunden stattfindet, verwenden die Forscher Spezialkameras, die mindestens 2.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können. Das Hochgeschwindigkeitsvideo offenbart einen bemerkenswerten und schnell expandierenden grünen Blitz, der die Kraft hypergoler Substanzen demonstriert.

„Wir beginnen generell mit sehr kleinen Proben“, sagte Michael Baier, Doktorand in Purdues School of Aeronautics and Astronautics, der die Experimente in Zucrow Labs durchführt. „Wir verwenden nur etwas Pulver des Ammoniakborans, und darüber ist eine Spritze, die einen Mikroliter-Tropfen des Oxidators abgibt, der in diesem Fall rauchende Salpetersäure ist. Selbst dann macht es einen ziemlichen Knall. Diese paar Millisekunden geben uns alle Daten, die wir brauchen, um die Zündung zu charakterisieren.“

Son sagte: „Dank Infrarot-Imaging sahen wir viel BO2-Signal, was uns überraschte. Dies deutet darauf hin, dass Ammoniakboran sogar vollständigere Verbrennung erreicht als konventionelle Bor-Treibstoffe.“

Obwohl Ammoniakboran weniger giftig sein mag als traditionelle hydrazinbasierte Hypergole, ist es immer noch ziemlich gefährlich zu handhaben, wie alle energiereichen Materialien. Aber Zucrow Labs forscht seit 1948 an Antriebstechnologien und ist eines der wenigen Labore in der Akademie, das vollständig ausgestattet ist, um energiereiche Materialien zu untersuchen.