用漂白劑做火箭燃料更安全？新式3D打印催化劑床助力開發(fā)肼燃料替代品

2022年2月22日，南極熊獲悉，來自新西蘭克賴斯特徹奇的坎特伯雷大學的工程學博士西蒙·里德目前正在研究一種3D打印的陶瓷基催化劑裝置，可以將濃縮的過氧化氫（一種漂白劑）高效轉換為無毒的火箭燃料，并有望用于低到中等推力的運載火箭。

據了解，他現(xiàn)在正與當地的發(fā)射公司黎明航空航天公司（Dawn Aerospace）合作進行測試。

△3D打印陶瓷基催化劑床能夠將過氧化氫轉化為可用作火箭推進劑的氣體。圖片來自坎特伯雷大學。

尋找更安全的推進劑

肼最早開發(fā)于19世紀末，今天仍然是航空航天領域內常用的火箭推進劑。然而，盡管這種物質仍然是為衛(wèi)星進入軌道所需的火箭提供燃料的高效手段，但它在干燥時也是不穩(wěn)定的，而且它對人體的毒性很大，現(xiàn)在被懷疑是一種致癌物。

根據里德（Reid）的說法，在處理肼時需要特別小心，包括使用過程中必要的安全裝備和協(xié)議，這也使它的使用成本增加價，因此需要一種更安全、低成本的推進燃料來進行替代。有趣的是，這位工程師選擇的替代品是過氧化氫，這是一種經常用于漂白頭發(fā)或清潔傷口的產品，接觸后只會造成輕微刺激。

里德表示，將這種家用漂白劑應用到推進劑中需要一種催化劑，這類催化劑通常由貴金屬制成，可以將其分解為氣體。在后續(xù)的研究中，他通過3D打印出一個涂有催化劑的陶瓷裝置，當過氧化氫通過它時能夠有效地引發(fā)化學變化。南極熊推測，選擇使用陶瓷作為催化劑床的原因，可能是因為其成本要比銀或鉑低許多。

"當液體過氧化氫通過催化劑床時，它加速了分解反應，"Reid解釋說。"該反應使分子解離，將其變成水和氧氣。正是該分子的分解產生了大量的能量和熱量。熱量使水汽化并產生高溫氣體，而高溫氣體通過一個噴嘴就可以提供推力。"

△坎特伯雷大學博士生西蒙-里德和他的3D打印催化劑床。圖片來自坎特伯雷大學。

使用漂白劑作為火箭燃料

現(xiàn)在，在為期三年半的博士學習中，里德正在尋求完善他的3D打印漂白劑轉化催化劑床的設計。具體來說，這位工程師的目標是最大限度地提高過氧化氫產生的推力，同時限制催化劑從床中的損失，并使他的設備的所有部件盡可能地輕巧和具有商業(yè)競爭性。

為了實現(xiàn)這一目標，Reid已經開始與新西蘭國家支持的Callaghan創(chuàng)新機構合作，將設備3D打印成具有改進性能的其他催化材料的幾何形狀，產生更好的推進器性能。

這位博士生發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化催化轉化方面，有一種方法特別有希望，那就是將他的催化床3D打印成陀螺狀，這在傳統(tǒng)的生產方法中是不可能的。在這樣做的過程中，Reid相信他的最新設計將是對其前身的升級，因為它將最大限度地減少催化劑的損失，避免巨大的壓力下降，并更好地平衡推力與燃料濃度。

展望未來，這位研究生現(xiàn)在打算測試他改進后的催化床功效，并將結果與之前的設計進行比較。更確切地說，他還打算與項目合作者Dawn Aerospace公司進一步合作，該公司是使用過氧化氫作為其可重復使用的航天飛機的燃料，并嘗試尋找一種能夠更有效循環(huán)使用的催化劑。

Reid總結道："其實早在60年代，就有航空公司嘗試過將氧化氫作為推進劑，只不過限于當時的催化劑裝置比較簡陋一直未能實現(xiàn)。如今也只有少數公司在認真考慮過氧化氫用作火箭燃料，希望我們能設計出更高效催化劑，可以讓過氧化氫替代肼，并幫助提升航天工業(yè)的安全系數。"

△DawnAerospace公司的Mk II極光號過氧化氫燃料航天飛機。圖片來自Dawn Aerospace 公司。

3D打印火箭推進劑的潛力

增材制造憑借著強大的創(chuàng)造能力，服務于世界各地火箭制造商的需求，不僅是在生產先進的推進系統(tǒng)方面，還有用于驅動這些系統(tǒng)的燃料上。這方面最引人注目的例子之一是Rocket Lab，這家公司去年以41億美元的SPAC并購案上市，據說它通過打印推進劑為其火箭的盧瑟福發(fā)動機提供動力。

早在2020年底，F(xiàn)irehawk航空航天公司也為其獨特的增材制造推進系統(tǒng)的研發(fā)工作籌集了200萬美元。該公司的3D打印固體燃料棒由一種燃料驅動，旨在為衛(wèi)星發(fā)射器的發(fā)動機提供更安全、更可靠和更低成本的推進劑，據說當時能提供新層次的性能水平。

同樣，在一個類似的項目中，澳大利亞詹姆斯-庫克大學的科學家們此前已經提出了3D打印燃料顆粒，能夠為混合火箭發(fā)動機提供動力。為了應對商業(yè)航天發(fā)射的快速增長，該團隊開發(fā)的商業(yè)聚合物集成火箭燃料在測試中顯示出強大的潛力，作為向低地球軌道（LEO）發(fā)射設備的一種便捷手段。