Opracowanie złoża katalitycznego dla thrustera o mocy 1N

Projekt realizowany jest w ramach współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA). Wspólnie z Politechniką Warszawską i Instytutem Lotnictwa – Sieć Badawcza Łukasiewicz projekt obejmuję opracowanie konstrukcji thrustera o mocy 1 N zasilanego stężonym nadtlenkiem wodoru.

Złoża katalizatora są kluczowymi elementami każdego jednoskładnikowego napędu chemicznego (monopropelant) dla silników rakietowych. Jednym z najbardziej znanych katalizatorów wykorzystywanych w układach silników rakietowych na monopropelant (np. hydrazyna – N2H4) są przygotowywane z tlenku glinu i irydu. Z drugiej strony, tradycyjny srebrny katalizator był z powodzeniem stosowany od 60 lat z innym monopropelantem – nadtlenkiem wodoru HTP (High Test Peroxide), ponieważ srebro ma najlepszą wydajność rozkładu HTP.

Jednak z katalizatorem srebrnym nie można stosować HTP w stężeniach wyższych niż 90-92% ze względu na adiabatyczną temperaturę rozkładu nadtlenku wodoru, która jest bliska temperaturze topnienia srebra. To z kolei powoduje, zwłaszcza w długotrwałych procesach, że katalizator ze srebra (lub powlekanego srebrem) traci swoje właściwości z powodu tworzenia się tlenku srebra i/lub efektu spiekania. Znacznie silniejszy efekt występuje w przypadku 98% nadtlenku wodoru, którego rozkład jest niezwykle egzotermiczny, dzięki czemu złoże katalizatora w ciągu kilku sekund osiąga temperaturę w zakresie 950-960 °C, natomiast temperatura topnienia srebra wynosi 962 °C.

Rozwiązaniem może być zastosowanie materiałów innych niż srebro jako aktywnych katalitycznie do rozkładu nadtlenku wodoru o stężeniu powyżej 92%. Jednym z rozważanych złóż katalitycznych jest użycie tlenków manganu – MnOx / Al2O3 (czasami mieszanych z tlenkami kobaltu) osadzonych na odpowiednim nośniku ceramicznym (np. tlenku glinu). Możliwe są również inne typy tego rodzaju katalizatorów, przykładowo o strukturze plastra miodu (MnOx / 2MgO/ 2Al2O3/ 5SiO2).

Nadtlenek wodoru (HTP) o stężeniu 98% jest najbardziej pożądany w zastosowaniach monopropelantów ze względu na jego właściwości napędowe i ekologiczne. Dlatego opracowanie katalizatora dla 98% HTP, który nie wykaże problemów ze spadkiem aktywności oraz skróceniem długości życia, wydaje się najważniejszą kwestią w tej dziedzinie. Głównym celem projektu jest przeprowadzenie badań, które odpowiedziałyby na pytanie, która technologia pozwoli nam uzyskać najbardziej obiecujący katalizator do wydajnego rozkładu 98% nadtlenku wodoru jako zielonego paliwa rakietowego.

Ostatecznym celem tego projektu jest opracowanie złoża katalizatora dla silnika (thruster) o mocy 1 N zasilanego monopropelantem HTP – nadtlenkiem wodoru o stężeniu 98%.  Zakładając, że to rozwiązanie spełni określone wymagania techniczne, rozwój silnika o mocy 1N będzie zasilanego HTP będzie kontynuowany.