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(xué)的工程學(xué)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(zhuǎn)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(jù)了解，他現(xiàn)在正與當?shù)氐陌l(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?qū)⑦^氧化氫轉(zhuǎn)化為可用作火箭推進劑的氣體。圖片來自坎特伯雷大學(xué)。

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(lǐng)域內(nèi)常用的火箭推進劑。然而，盡管這種物質(zhì)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(jù)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(jīng)常用于漂白頭發(fā)或清潔傷口的產(chǎn)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(yīng)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(xué)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(yīng)，"Reid解釋說。"該反應(yīng)使分子解離，將其變成水和氧氣。正是該分子的分解產(chǎn)生了大量的能量和熱量。熱量使水汽化并產(chǎn)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(xué)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(xué)。

使用漂白劑作為火箭燃料

現(xiàn)在，在為期三年半的博士學(xué)習(xí)中，里德正在尋求完善他的3D打印漂白劑轉(zhuǎn)化催化劑床的設(shè)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(chǎn)生的推力，同時限制催化劑從床中的損失，并使他的設(shè)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(jīng)開始與新西蘭國家支持的Callaghan創(chuàng)新機構(gòu)合作，將設(shè)備3D打印成具有改進性能的其他催化材料的幾何形狀，產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)方法中是不可能的。在這樣做的過程中，Reid相信他的最新設(shè)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(jié)果與之前的設(shè)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(fù)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(jié)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(shù)公司在認真考慮過氧化氫用作火箭燃料，希望我們能設(shè)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(shù)。"

△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(wù)于世界各地火箭制造商的需求，不僅是在生產(chǎn)先進的推進系統(tǒng)方面，還有用于驅(qū)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(jù)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(qū)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(jù)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(xué)的科學(xué)家們此前已經(jīng)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(yīng)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(shè)備的一種便捷手段。