Sviluppo di un letto catalitico per il propulsore 1N HTP

Il progetto è realizzato in collaborazione con l'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Insieme alla Warsaw University of Technology e all'Institute of Aviation – Łukasiewicz Research Network, il progetto riguarda lo sviluppo di una struttura di propulsore 1N alimentata da perossido di idrogeno concentrato (HTP).

I letti del catalizzatore sono elementi chiave di ogni propulsore chimico monopropellente. Il letto di catalizzatore viene riempito con un catalizzatore adatto o una sua miscela. Solitamente si riferisce alla somma del supporto (supporto) whashcoating (se utilizzato) e superficie attiva (fase). In alcuni casi la superficie attiva (fase) e il supporto sono lo stesso materiale. Uno dei catalizzatori più noti utilizzati nei sistemi di propulsione monopropellente sono quelli che decompongono l'idrazina (N2H4). I catalizzatori per i propulsori spaziali ad idrazina (es. Cnesro o Shell 405) sono preparati da gamma allumina che viene utilizzata come supporto (100-200 m2/g) con acido esacloroiridico in soluzione acquosa come precursore, mediante metodo di impregnazione ad umido. Il catalizzatore viene quindi attivato mediante riduzione del flusso di idrogeno gassoso. Questo passaggio consente la formazione di piccoli cristalliti di iridio sulla superficie dei granuli di allumina (supporto). La procedura viene ripetuta molte volte, al fine di ottenere la quantità prevista di fase attiva e garantire una durata sufficiente di un catalizzatore.

La tecnologia (catalizzatore) sopra descritta è la chiave di volta per i propulsori a idrazina che sono in uso ormai da decenni (dagli anni '60). D'altra parte, il catalizzatore d'argento tradizionale (metallico, come garze d'argento, schermi, ecc.), è stato utilizzato con successo con perossido di idrogeno di HTP (High Test Peroxide) dagli anni '50, poiché l'argento ha le migliori prestazioni di decomposizione per HTP. Tuttavia, concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 90-92% possono non essere utilizzate in pratica con tale catalizzatore a causa della temperatura di decomposizione adiabatica del perossido che è prossima al punto di fusione dell'argento. Ciò a sua volta fa sì che, soprattutto nelle operazioni di lunga durata, il catalizzatore d'argento (o rivestito d'argento) perda le sue prestazioni a causa della formazione di ossido d'argento e/o per effetto di sinterizzazione. L'effetto è molto più forte nel caso del perossido di idrogeno 98% la cui decomposizione è estremamente esotermica, e quindi il letto del catalizzatore raggiunge la temperatura nell'intervallo 950 – 960°C in pochi secondi, mentre il punto di fusione dell'argento è di 962°C .

La soluzione (per sostituire il tradizionale catalizzatore d'argento) può essere quella di utilizzare materiali diversi dall'argento (metalli, leghe, composti) come cataliticamente attivi per la decomposizione del perossido di idrogeno. Uno degli approcci attuali è quello di utilizzare ossidi di manganese – MnOx/Al2O3 (a volte miscelati con ossidi di cobalto) supportati su un idoneo supporto ceramico (es. allumina). Sono possibili anche altri tipi di questo tipo di catalizzatore, ad esempio come il monolite di cordierite a nido d'ape (MnOx/2MgO*2Al2O3*5SiO2). La procedura di impregnazione è molto importante per un sufficiente ancoraggio della fase attiva sul supporto per l'uso di ossidi di manganese, specialmente nel caso di catalizzatore a pellet MnOx/Al2O3.

Pertanto, l'analisi della letteratura aperta e attuale mostra chiaramente che gli ossidi misti, contenenti cationi di metalli di transizione, possono essere considerati come una delle potenziali opzioni. Tuttavia, tali catalizzatori presentano molti problemi che devono essere risolti. Alcuni di questi sono problemi di attività e sopravvivenza legati ai cambiamenti di ossidazione all'interno della fase attiva (es. trasformatori attivi di MnO2 in Mn2O3 che è meno attivo nei confronti del perossido). Questo problema, insieme alla bassa resistenza meccanica di alcuni supporti ceramici e/o ai carichi di fase attiva relativamente bassi, fanno sì che la durata della vita operativa (cicli) sia piuttosto limitata.

Il perossido di idrogeno con concentrazione 98% in peso è il più desiderabile nelle applicazioni monopropellenti grazie alle sue prestazioni propulsive. Pertanto, lo sviluppo del catalizzatore per 98% HTP che non soffrirebbe di problemi di attività o durata della vita, sembra essere la questione più importante in questo campo. L'obiettivo principale del progetto è svolgere una ricerca che risponda alla domanda su quale tecnologia ci consenta di ottenere il catalizzatore più promettente per la decomposizione efficiente del perossido di idrogeno 98% di grado missilistico. Tale catalizzatore sarebbe un componente essenziale per il letto catalitico di un prossimo futuro propulsore monopropellente che funziona con perossido di idrogeno 98% come propellente verde. Inoltre, riteniamo che il nostro sviluppo tecnologico (ma anche europeo) nel campo della propulsione spaziale verde (a base di perossido di idrogeno) abbia già dimostrato la necessità di tale catalizzatore.

L'obiettivo finale di questo progetto sarà un letto catalitico operativo (funzionante in condizioni di laboratorio) per il propulsore monopropellente 1 N 98% HTP. A condizione che questa soluzione soddisfi i requisiti attualmente definiti e prometta di soddisfare requisiti di livello più elevato, lo sviluppo di un propulsore monopropellente da 1 N sarà continuato.

foto: ESA

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