Entwicklung eines katalytischen Bettes für das 1N-Triebwerk HTP

Das Projekt wird in Kooperation mit der European Space Agency (ESA) durchgeführt. Gemeinsam mit der Technischen Universität Warschau und dem Institut für Luftfahrt – ukasiewicz Research Network umfasst das Projekt die Entwicklung einer 1N-Triebwerksstruktur, die mit konzentriertem Wasserstoffperoxid (HTP) betrieben wird.

Katalysatorbetten sind Schlüsselelemente jedes chemischen Monopropellant-Triebwerks. Das Katalysatorbett wird mit einem geeigneten Katalysator oder dessen Mischung aufgefüllt. Normalerweise bezieht er sich auf die Summe aus Träger (Träger), Washcoating (sofern verwendet) und aktiver Oberfläche (Phase). In einigen Fällen sind die aktive Oberfläche (Phase) und der Träger das gleiche Material. Einer der bekanntesten Katalysatoren, die in Monopropellant-Triebwerkssystemen verwendet werden, sind diejenigen, die Hydrazin (N2H4) zersetzen. Katalysatoren für Hydrazin-Raumtriebwerke (z. B. Cnesro oder Shell 405) werden aus Gamma-Aluminiumoxid, das als Träger verwendet wird (100-200 m2/g) mit Hexachloriridsäure in wässriger Lösung als Vorläufer, durch Nassimprägnierungsverfahren hergestellt. Der Katalysator wird dann durch Reduktion des gasförmigen Wasserstoffstroms aktiviert. Dieser Schritt ermöglicht die Bildung kleiner Iridiumkristallite auf der Oberfläche von Aluminiumoxid-Pellets (Träger). Der Vorgang wird viele Male wiederholt – um die erwartete Menge an aktiver Phase zu erhalten und eine ausreichende Lebensdauer eines Katalysators zu gewährleisten.

Die oben beschriebene Technologie (Katalysator) ist der Grundstein für die seit Jahrzehnten (seit 1960er Jahren) im Einsatz befindlichen Hydrazin-Triebwerke. Andererseits wird seit den 1950er Jahren ein traditioneller Silberkatalysator (metallisch, als Silbergewebe, Siebe usw.) erfolgreich mit Wasserstoffperoxid von HTP (High Test Peroxide) verwendet, da Silber die beste Zersetzungsleistung für HTP aufweist. Jedoch können Wasserstoffperoxidkonzentrationen von mehr als 90-921 TP1T in der Praxis mit einem solchen Katalysator aufgrund der adiabatischen Zersetzungstemperatur des Peroxids, die nahe am Schmelzpunkt von Silber liegt, nicht verwendet werden. Dies führt wiederum, insbesondere bei Langzeitbetrieben, dazu, dass der Silberkatalysator (oder der silberbeschichtete Katalysator) seine Leistung aufgrund der Bildung von Silberoxid und/oder des Sintereffekts verliert. Der Effekt ist bei 98% Wasserstoffperoxid, dessen Zersetzung extrem exotherm ist, viel stärker und so erreicht das Katalysatorbett innerhalb weniger Sekunden die Temperatur im Bereich von 950 – 960 °C, während der Schmelzpunkt von Silber 962 °C beträgt .

Die Lösung (um den herkömmlichen Silberkatalysator zu ersetzen) kann darin bestehen, andere Materialien als Silbermaterialien (Metalle, Legierungen, Verbindungen) als katalytisch aktiv für die Wasserstoffperoxidzersetzung zu verwenden. Einer der aktuellen Ansätze ist die Verwendung von Manganoxiden – MnOx/Al2O3 (manchmal gemischt mit Kobaltoxiden) auf einem geeigneten Keramikträger (zB Aluminiumoxid). Auch andere Typen derartiger Katalysatoren sind möglich, wie zB Cordierit-Monolith-Waben (MnOx/2MgO*2Al2O3*5SiO2). Das Imprägnierungsverfahren ist sehr wichtig für eine ausreichende Verankerung der aktiven Phase auf dem Träger für die Verwendung von Manganoxiden, insbesondere im Fall von MnOx/Al2O3-Pelletskatalysatoren.

Daher zeigt die Analyse der offenen und aktuellen Literatur eindeutig, dass Mischoxide, die Kationen von Übergangsmetallen enthalten, als eine der möglichen Optionen in Betracht gezogen werden können. Dennoch weisen solche Katalysatoren viele Probleme auf, die gelöst werden müssen. Einige von ihnen sind Aktivitäts- und Überlebensfähigkeitsprobleme, die mit den Oxidationsänderungen innerhalb der aktiven Phase verbunden sind (zB aktive MnO2-Transformatoren in Mn2O3, das gegenüber Peroxid weniger aktiv ist). Dieses Problem führt zusammen mit der geringen mechanischen Festigkeit einiger der keramischen Träger oder/und relativ geringen Belastungen der aktiven Phase dazu, dass die Betriebslebensdauer (Zyklen) ziemlich begrenzt ist.

Wasserstoffperoxid mit einer Gewichtskonzentration von 98% ist aufgrund seiner Vortriebsleistung bei Monotreibstoffanwendungen am wünschenswertesten. Daher scheint die Entwicklung des Katalysators für 98% HTP, der nicht unter Aktivitäts- oder Lebensdauerproblemen leidet, das wichtigste Thema auf diesem Gebiet zu sein. Das Hauptziel des Projekts besteht darin, Forschungen durchzuführen, die die Frage beantworten, welche Technologie es uns ermöglicht, den vielversprechendsten Katalysator für die effiziente Zersetzung von 98%-Wasserstoffperoxid in Raketenqualität zu erhalten. Ein solcher Katalysator wäre eine wesentliche Komponente für das Katalysatorbett eines in naher Zukunft kommenden Monopropellant-Triebwerkes, das mit 98% Wasserstoffperoxid als grünem Treibstoff betrieben wird. Darüber hinaus glauben wir, dass unsere (aber auch im Hinblick auf die europäische) Technologieentwicklung im Bereich grüne (auf Wasserstoffperoxid basierende) Raumfahrtantriebe bereits die Notwendigkeit eines solchen Katalysators gezeigt hat.

Das Endziel dieses Projekts wird ein betriebsbereites (unter Laborbedingungen arbeitendes) Katalysatorbett für 1 N 98% HTP-Einzeltreibstoff-Triebwerk sein. Sofern diese Lösung die derzeit definierten Anforderungen erfüllt und vielversprechend ist, höhere Anforderungen zu erfüllen, wird die Entwicklung eines 1-N-Einzeltriebwerks fortgesetzt.

Foto: ESA

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