Saubere Antriebstechnologie ermöglicht saubereren Raketentreibstoff

Eine Chemikalie, die in Batterien von Elektrofahrzeugen verwendet wird, könnte uns laut einer neuen UC Riverside-Forschung auch kohlenstofffreien Treibstoff für die Raumfahrt liefern.

Neben Emissionsminderungen hat diese Chemikalie auch mehrere Vorteile gegenüber anderen Arten von Raketentreibstoffen: höhere Energie, geringere Kosten und keine Notwendigkeit für gefrorene Lagerung.

Die Chemikalie Ammoniakboran wird derzeit zur Speicherung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen verwendet, die Elektrofahrzeuge antreiben. UCR-Forscher verstehen nun, wie diese Kombination aus Bor und Wasserstoff genug Energie freisetzen kann, um auch Raketen und Satelliten zu starten.

„Wir sind die ersten, die zeigen, dass Ammoniakboran unter den richtigen Bedingungen nicht nur für Elektrofahrzeuge, sondern auch zum Starten von Raketen verwendet werden kann“, sagte Prithwish Biswas, UCR-Chemieingenieur und Erstautor der neuen Studie. Ihre Demonstration wurde jetzt in veröffentlicht Das Journal of Physical Chemistry C.

Die am häufigsten verwendeten Raketentreibstoffe basieren auf Kohlenwasserstoffen und sind dafür bekannt, dass sie eine Vielzahl negativer Auswirkungen auf die Umwelt haben. Sie können den Boden jahrzehntelang vergiften, Krebs verursachen und sauren Regen, Ozonlöcher und Treibhausgase wie Kohlendioxid produzieren.

Im Gegensatz dazu setzt Ammoniakboran nach dem Verbrennen die gutartigen Verbindungen Boroxid und Wasser frei. „Es ist viel weniger schädlich für die Umwelt“, sagte Biswas.

Im Vergleich zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen setzt Ammoniakboran auch mehr Energie frei, was möglicherweise zu Kosteneinsparungen führt, da weniger davon benötigt wird, um denselben Flug anzutreiben.

Um Energie aus dem Kraftstoff freizusetzen und die Verbrennung zu ermöglichen, werden Katalysatoren und Oxidationsmittel hinzugefügt, um dem Kraftstoff zusätzlichen Sauerstoff zuzuführen. Brennstoffzellen verwenden für diesen Zweck häufig Katalysatoren. Sie erhöhen die Verbrennungsgeschwindigkeit, bleiben aber sowohl vor als auch nach der Reaktion in derselben Form.

„Raumfahrzeuge benötigen in kurzer Zeit große Energiemengen, daher ist es nicht ideal, einen Katalysator zu verwenden, da er nicht zur benötigten Energie beiträgt. Es ist wie tote Masse in Ihrem Gastank“, sagte Pankaj Ghildiyal, University of Maryland Chemie Ph.D. Student und Co-Autor der Studie, arbeitet derzeit an der UCR.

Die inhärente Chemie der Ammoniak-Boran-Zersetzung behindert die Freisetzung seiner gesamten Energie bei der Reaktion mit den meisten Oxidationsmitteln. Die Forscher fanden jedoch ein Oxidationsmittel, das die Zersetzungs- und Oxidationsmechanismen dieses Brennstoffs verändert, was zur Extraktion seines gesamten Energiegehalts führt.

„Dies ist analog zur Verwendung von Katalysatoren, um die vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu ermöglichen“, sagte Ghildiyal. „Hier konnten wir eine vollständigere Verbrennung der Chemikalien erreichen und die Energie der gesamten Reaktion erhöhen, indem wir die Chemie des Oxidationsmittels selbst nutzten, ohne einen Katalysator zu benötigen.“

Einige Raketentreibstoffe erzeugen nicht nur unerwünschte Nebenprodukte, sondern müssen auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gelagert werden. „Die NASA hat flüssigen Wasserstoff verwendet, der eine sehr geringe Dichte hat“, sagte Ghildiyal. „Daher benötigt es viel Platz sowie kryogene Bedingungen für die Wartung.“

Im Gegensatz dazu ist dieser Kraftstoff bei Raumtemperatur stabil und beständig gegen hohe Hitze. In dieser Studie stellten die Forscher sehr feine, nanoskalige Ammoniumboran-Partikel her, die sich in sehr feuchten Umgebungen im Laufe eines Monats zersetzen konnten.

Das Forschungsteam untersucht nun, wie Ammoniumboran-Partikel unterschiedlicher Größe in unterschiedlichen Umgebungen altern. Sie entwickeln auch Verfahren zum Einkapseln von Kraftstoffpartikeln in eine Schutzschicht, um ihre Stabilität unter feuchten Bedingungen zu verbessern.

Diese Forschung wurde von Michael R. Zachariah, UCR-Professor für Chemieingenieurwesen, überwacht und vom University Research Alliances-Programm der US Defense Threat Reduction Agency sowie vom Office of Naval Research finanziert. Die Agenturen gewährten die Mittel, um dazu beizutragen, sauberere und effizientere Flugtreibstoffe zu erzeugen.

Quantenchemische Berechnungen, die zur Unterstützung der experimentellen Beobachtungen in dieser Studie erforderlich sind, wurden in Zusammenarbeit mit den UCR-Materialwissenschaftlern Hyuna Kwon und Bryan M. Wong durchgeführt.

„Wir haben die grundlegende Chemie bestimmt, die diese Kombination aus Brennstoff und Oxidationsmittel antreibt“, sagte Biswas. „Jetzt freuen wir uns darauf zu sehen, wie es sich im großen Maßstab verhält.“