Développement d'un lit catalytique pour le propulseur 1N HTP

Le projet est réalisé en coopération avec l'Agence spatiale européenne (ESA). En collaboration avec l'Université de technologie de Varsovie et l'Institut de l'aviation - Réseau de recherche de Łukasiewicz, le projet couvre le développement d'une structure de propulseur 1N alimentée par du peroxyde d'hydrogène concentré (HTP).

Les lits catalytiques sont des éléments clés de chaque propulseur chimique à monergol. Le lit de catalyseur est rempli d'un catalyseur approprié ou de son mélange. Habituellement, il fait référence à la somme du revêtement de lavage du support (support) (s'il est utilisé) et de la surface active (phase). Dans certains cas, la surface active (phase) et le support sont le même matériau. L'un des catalyseurs les plus connus utilisés dans les systèmes de propulseur à monergol est celui qui décompose l'hydrazine (N2H4). Les catalyseurs pour propulseurs spatiaux à hydrazine (par exemple Cnesro ou Shell 405) sont préparés à partir d'alumine gamma utilisée comme support (100-200 m2/g) avec comme précurseur de l'acide hexachloroiridique en solution aqueuse, par méthode d'imprégnation humide. Le catalyseur est ensuite activé par réduction du débit d'hydrogène gazeux. Cette étape permet la formation de petits cristallites d'iridium à la surface des pastilles d'alumine (support). La procédure est répétée plusieurs fois - afin d'obtenir la quantité attendue de phase active et de garantir une durée de vie suffisante d'un catalyseur.

La technologie (catalyseur) décrite ci-dessus est la clé de voûte des propulseurs à hydrazine qui sont utilisés depuis des décennies (depuis les années 1960). D'autre part, le catalyseur à l'argent traditionnel (métallique, comme les gazes d'argent, les écrans, etc.), a été utilisé avec succès avec le peroxyde d'hydrogène de HTP (High Test Peroxide) depuis les années 1950, car l'argent a la meilleure performance de décomposition pour HTP. Cependant, des concentrations de peroxyde d'hydrogène supérieures à 90-92% ne peuvent pas être utilisées en pratique avec un tel catalyseur en raison de la température de décomposition adiabatique du peroxyde qui est proche de la température de fusion de l'argent. Ceci provoque à son tour, en particulier dans les opérations de longue durée, que le catalyseur à l'argent (ou revêtu d'argent) perd ses performances en raison de la formation d'oxyde d'argent et/ou d'un effet de frittage. L'effet est beaucoup plus fort dans le cas du peroxyde d'hydrogène 98% dont la décomposition est extrêmement exothermique, et ainsi le lit de catalyseur atteint la température comprise entre 950 et 960°C en quelques secondes, alors que le point de fusion de l'argent est de 962°C. .

La solution (pour remplacer le catalyseur à l'argent traditionnel) peut être d'utiliser des matériaux autres que l'argent (métaux, alliages, composés) comme catalytiquement actifs pour la décomposition du peroxyde d'hydrogène. L'une des approches actuelles consiste à utiliser des oxydes de manganèse – MnOx/Al2O3 (parfois mélangés avec des oxydes de cobalt) supportés sur un support céramique approprié (par exemple l'alumine). D'autres types de catalyseurs de ce type sont également possibles, comme par exemple le nid d'abeille monolithe de cordiérite (MnOx/2MgO*2Al2O3*5SiO2). La procédure d'imprégnation est très importante pour un ancrage suffisant de la phase active sur le support pour l'utilisation des oxydes de manganèse, notamment dans le cas du catalyseur en pastilles MnOx/Al2O3.

Par conséquent, l'analyse de la littérature ouverte et actuelle montre clairement que les oxydes mixtes, contenant des cations de métaux de transition, peuvent être considérés comme l'une des options potentielles. Néanmoins, de tels catalyseurs présentent de nombreux problèmes qui doivent être résolus. Certains d'entre eux sont des problèmes d'activité et de capacité de survie liés aux changements d'oxydation au sein de la phase active (par exemple, les transformateurs actifs de MnO2 en Mn2O3 qui sont moins actifs vis-à-vis du peroxyde). Ce problème, ainsi que la faible résistance mécanique de certains des supports en céramique ou/et des charges de phase active relativement faibles, font que la durée de vie (cycles) de fonctionnement est plutôt limitée.

Le peroxyde d'hydrogène avec une concentration en poids de 98% est le plus souhaitable dans les applications de monergol en raison de ses performances de propulsion. Par conséquent, le développement du catalyseur pour 98% HTP qui ne souffrirait pas de problèmes d'activité ou de durée de vie, semble être l'enjeu le plus important dans ce domaine. L'objectif principal du projet est d'effectuer des recherches qui répondraient à la question de savoir quelle technologie nous permet d'obtenir le catalyseur le plus prometteur pour la décomposition efficace du peroxyde d'hydrogène 98% de qualité fusée. Un tel catalyseur serait un composant essentiel pour le lit catalytique d'un futur proche propulseur à monergol qui fonctionne avec du peroxyde d'hydrogène 98% comme propergol vert. Par ailleurs, nous pensons que notre développement technologique (mais aussi européen) dans le domaine de la propulsion spatiale verte (à base de peroxyde d'hydrogène) a déjà démontré la nécessité d'un tel catalyseur.

L'objectif final de ce projet sera un lit catalytique opérationnel (fonctionnant dans des conditions de laboratoire) pour le propulseur monergol 1 N 98% HTP. Sous réserve que cette solution réponde aux exigences actuellement définies et promette de répondre à des exigences de niveau supérieur, le développement d'un propulseur monoergol 1 N sera poursuivi.

photo : ESA

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