Tecnologia de propulsão limpa permite combustível de foguete mais limpo

Um produto químico usado em baterias de veículos elétricos também pode nos fornecer combustível livre de carbono para viagens espaciais, de acordo com uma nova pesquisa da UC Riverside.

Além da redução de emissões, esse produto químico também tem várias vantagens em relação a outros tipos de combustível de foguete: maior energia, menor custo e não há necessidade de armazenamento congelado.

O borano de amônia química é atualmente usado para armazenar o hidrogênio em células de combustível que alimentam veículos elétricos. Os pesquisadores da UCR agora entendem como essa combinação de boro e hidrogênio pode liberar energia suficiente para lançar foguetes e satélites também.

“Somos os primeiros a mostrar que, nas condições certas, o borano de amônia pode ser usado não apenas para veículos elétricos, mas também para lançar foguetes”, disse Prithwish Biswas, engenheiro químico da UCR e primeiro autor do novo estudo. Sua demonstração já foi publicada em O Jornal de Química Física C.

Os combustíveis de foguete mais comumente usados ​​são à base de hidrocarbonetos e são conhecidos por terem uma variedade de impactos ambientais negativos. Eles podem envenenar o solo por décadas, causar câncer e produzir chuva ácida, buracos na camada de ozônio e gases de efeito estufa como o dióxido de carbono.

Em contraste, quando queimado, o borano de amônia libera os compostos benignos óxido de boro e água. “É muito menos prejudicial ao meio ambiente”, disse Biswas.

Comparado aos combustíveis de hidrocarbonetos, o borano de amônia também libera mais energia, potencialmente levando a economia de custos, já que menos é necessário para alimentar o mesmo voo.

Para liberar energia do combustível e permitir a combustão, catalisadores e oxidantes são adicionados para fornecer oxigênio extra ao combustível. As células de combustível geralmente usam catalisadores para esse fim. Eles aumentam a taxa de queima, mas permanecem na mesma forma antes e depois da reação.

“Naves espaciais requerem grandes quantidades de energia em um curto período de tempo, portanto, usar um catalisador não é ideal, pois não contribui para a energia necessária. É como matéria morta em seu tanque de gasolina”, disse Pankaj Ghildiyal, Ph.D em Química da Universidade de Maryland. Aluno e coautor do estudo, atualmente trabalhando na UCR.

A química inerente da decomposição de amônia-borano impede a liberação de toda a sua energia ao reagir com a maioria dos oxidantes. No entanto, os pesquisadores encontraram um oxidante que altera os mecanismos de decomposição e oxidação desse combustível, levando à extração de todo o seu conteúdo energético.

“Isso é análogo ao uso de catalisadores para permitir a combustão completa de combustíveis de hidrocarbonetos”, disse Ghildiyal. “Aqui conseguimos uma combustão mais completa dos produtos químicos e aumentar a energia da reação geral usando a química do próprio oxidante, sem a necessidade de um catalisador”.

Não apenas alguns propulsores de foguetes produzem subprodutos indesejados, mas também requerem armazenamento em temperaturas abaixo de zero. “A NASA usou hidrogênio líquido, que tem uma densidade muito baixa”, disse Ghildiyal. “Portanto, requer muito espaço e condições criogênicas para manutenção”.

Em contraste, este combustível é estável à temperatura ambiente e resistente a altas temperaturas. Neste estudo, os pesquisadores criaram partículas muito finas em nanoescala de borano de amônio que podem se decompor em ambientes muito úmidos ao longo de um mês.

A equipe de pesquisa agora está estudando como as partículas de borano de amônio de diferentes tamanhos envelhecem em diferentes ambientes. Eles também estão desenvolvendo métodos de encapsulamento de partículas de combustível em uma camada protetora para melhorar sua estabilidade em condições úmidas.

Esta pesquisa foi supervisionada por Michael R. Zachariah, Professor de Engenharia Química da UCR, e financiada pelo programa University Research Alliances da Agência de Redução de Ameaças de Defesa dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa Naval. As agências concederam os fundos para ajudar a criar combustíveis de aviação mais limpos e eficientes.

Cálculos químicos quânticos necessários para apoiar as observações experimentais neste estudo foram realizados em colaboração com os cientistas de materiais da UCR Hyuna Kwon e Bryan M. Wong.

“Determinamos a química básica que impulsiona essa combinação de combustível e oxidante”, disse Biswas. “Agora estamos ansiosos para ver como ele se comporta em grande escala.”