Opracowanie złoża katalitycznego dla steru strumieniowego 1N HTP

Projekt realizowany jest we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA). Wspólnie z Politechniką Warszawską i Instytutem Lotnictwa – Siecią Badawczą Łukasiewicz projekt obejmuje opracowanie struktury steru strumieniowego 1N zasilanego stężonym nadtlenkiem wodoru (HTP).

Złoża katalizatora są kluczowymi elementami każdego steru strumieniowego na jednopaliwowe, chemicznego steru strumieniowego. Złoże katalizatora wypełnia się odpowiednim katalizatorem lub jego mieszaniną. Zwykle odnosi się do sumy powłoki nośnika (podłoża) (jeśli jest stosowany) i powierzchni aktywnej (fazy). W niektórych przypadkach powierzchnia aktywna (faza) i nośnik są z tego samego materiału. Jednymi z najbardziej znanych katalizatorów wykorzystywanych w jednopędowych układach pędnych są te, które rozkładają hydrazynę (N2H4). Katalizatory do hydrazynowych silników kosmicznych (np. Cnesro lub Shell 405) są przygotowywane z gamma tlenku glinu, który jest stosowany jako nośnik (100-200 m2/g) z kwasem heksachloroirydowym w roztworze wodnym jako prekursorem, metodą impregnacji na mokro. Katalizator jest następnie aktywowany przez redukcję przepływu gazowego wodoru. Ten etap umożliwia tworzenie małych krystalitów irydu na powierzchni granulek tlenku glinu (podłoże). Procedurę powtarza się wielokrotnie – w celu uzyskania oczekiwanej ilości fazy aktywnej i zagwarantowania wystarczającej żywotności katalizatora.

Opisana powyżej technologia (katalizator) jest podstawą silników hydrazynowych, które są używane od dziesięcioleci (od lat 60-tych). Z drugiej strony, tradycyjny katalizator srebrny (metaliczny, jak srebrne siatki, sita itp.) był z powodzeniem stosowany z nadtlenkiem wodoru HTP (High Test Peroxide) od lat 50-tych, ponieważ srebro ma najlepszą wydajność rozkładu dla HTP. Jednak stężenia nadtlenku wodoru wyższe niż 90-92% nie mogą być stosowane w praktyce z takim katalizatorem ze względu na adiabatyczną temperaturę rozkładu nadtlenku, która jest zbliżona do temperatury topnienia srebra. To z kolei powoduje, zwłaszcza przy długotrwałych operacjach, że katalizator srebrny (lub powlekany srebrem) traci swoje działanie z powodu tworzenia się tlenku srebra i/lub efektu spiekania. Efekt jest znacznie silniejszy w przypadku nadtlenku wodoru 98%, którego rozkład jest niezwykle egzotermiczny, dzięki czemu złoże katalizatora osiąga w ciągu kilku sekund temperaturę w zakresie 950 – 960°C, natomiast temperatura topnienia srebra to 962°C .

Rozwiązaniem (w celu zastąpienia tradycyjnego katalizatora srebrowego) może być zastosowanie innych niż srebro materiałów (metale, stopy, związki) jako aktywnych katalitycznie do rozkładu nadtlenku wodoru. Jednym z aktualnych podejść jest zastosowanie tlenków manganu – MnOx/Al2O3 (czasem zmieszanych z tlenkami kobaltu) osadzonych na odpowiednim podłożu ceramicznym (np. tlenek glinu). Możliwe są również inne typy tego rodzaju katalizatora, np. takie jak monolit kordierytowy o strukturze plastra miodu (MnOx/2MgO*2Al2O3*5SiO2). Procedura impregnacji jest bardzo ważna dla wystarczającego zakotwiczenia fazy aktywnej na nośniku do stosowania tlenków manganu, szczególnie w przypadku katalizatora granulowanego MnOx/Al2O3.

Dlatego też analiza dostępnej i aktualnej literatury wskazuje wyraźnie, że jako jedną z potencjalnych opcji można uznać tlenki mieszane, zawierające kationy metali przejściowych. Niemniej jednak takie katalizatory stwarzają wiele problemów, które wymagają rozwiązania. Niektóre z nich to kwestie aktywności i przeżywalności związane ze zmianami utleniania w fazie aktywnej (np. aktywne transformatory MnO2 w Mn2O3, który jest mniej aktywny w stosunku do nadtlenku). Zagadnienie to, w połączeniu z małą wytrzymałością mechaniczną niektórych podpór ceramicznych lub/i stosunkowo niskimi obciążeniami fazy aktywnej, powoduje, że czas eksploatacji (cykli) jest raczej ograniczony.

Nadtlenek wodoru o stężeniu wagowym 98% jest najbardziej pożądany w zastosowaniach z jednym paliwem ze względu na jego właściwości napędowe. Dlatego opracowanie katalizatora 98% HTP, który nie będzie cierpieć z powodu problemów z aktywnością lub długością życia, wydaje się być najważniejszą kwestią w tej dziedzinie. Głównym celem projektu jest przeprowadzenie badań, które pozwoliłyby odpowiedzieć na pytanie, która technologia pozwala uzyskać najbardziej obiecujący katalizator do efektywnego rozkładu nadtlenku wodoru 98% gatunku rakietowego. Taki katalizator byłby zasadniczym składnikiem złoża katalitycznego w jednośladowych silnikach napędzanych w bliskiej przyszłości, które działają na nadtlenku wodoru 98% jako zielonym paliwie. Ponadto uważamy, że nasz (ale także w wymiarze europejskim) rozwój technologii w dziedzinie zielonego (opartego na nadtlenku wodoru) napędu kosmicznego już wykazał potrzebę takiego katalizatora.

Ostatecznym celem tego projektu będzie operacyjne (pracujące w warunkach laboratoryjnych) złoże katalityczne do steru strumieniowego jednopaliwowego 1 N 98% HTP. O ile to rozwiązanie spełni obecnie określone wymagania i zapowiada się na spełnienie wyższych wymagań, prace nad jednonapędowym sterem strumieniowym będą kontynuowane.

fot. ESA