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(yùn)載火箭。

據(jù)了解,，他現(xiàn)在正與當(dāng)?shù)氐陌l(fā)射公司黎明航空航天公司（Dawn Aerospace）合作進(jìn)行測(cè)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(jìn)劑的氣體,。圖片來自坎特伯雷大學(xué)。

尋找更安全的推進(jìn)劑

肼最早開發(fā)于19世紀(jì)末,，今天仍然是航空航天領(lǐng)域內(nèi)常用的火箭推進(jìn)劑,。然而，盡管這種物質(zhì)仍然是為衛(wèi)星進(jìn)入軌道所需的火箭提供燃料的高效手段,，但它在干燥時(shí)也是不穩(wěn)定的,，而且它對(duì)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(shí)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(jià),，因此需要一種更安全,、低成本的推進(jìn)燃料來進(jìn)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(huì)造成輕微刺激。

里德表示,，將這種家用漂白劑應(yīng)用到推進(jìn)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(gè)涂有催化劑的陶瓷裝置，當(dāng)過氧化氫通過它時(shí)能夠有效地引發(fā)化學(xué)變化。南極熊推測(cè),，選擇使用陶瓷作為催化劑床的原因，可能是因?yàn)槠涑杀疽�比銀或鉑低許多,。

"當(dāng)液體過氧化氫通過催化劑床時(shí)，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(gè)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(jì),。具體來說,，這位工程師的目標(biāo)是最大限度地提高過氧化氫產(chǎn)生的推力,，同時(shí)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(jìng)爭(zhēng)性,。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，Reid已經(jīng)開始與新西蘭國(guó)家支持的Callaghan創(chuàng)新機(jī)構(gòu)合作,，將設(shè)備3D打印成具有改進(jìn)性能的其他催化材料的幾何形狀，產(chǎn)生更好的推進(jìn)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(jì)將是對(duì)其前身的升級(jí),，因?yàn)樗鼘⒆畲笙薅鹊販p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(cè)試他改進(jìn)后的催化床功效，并將結(jié)果與之前的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,。更確切地說,，他還打算與項(xiàng)目合作者Dawn Aerospace公司進(jìn)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(jī)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(shí)早在60年代,，就有航空公司嘗試過將氧化氫作為推進(jìn)劑,，只不過限于當(dāng)時(shí)的催化劑裝置比較簡(jiǎn)陋一直未能實(shí)現(xiàn),。如今也只有少數(shù)公司在認(rèn)真考慮過氧化氫用作火箭燃料，希望我們能設(shè)計(jì)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(hào)過氧化氫燃料航天飛機(jī)。圖片來自Dawn Aerospace 公司,。

3D打印火箭推進(jìn)劑的潛力

增材制造憑借著強(qiáng)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(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)方面，還有用于驅(qū)動(dòng)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(gòu)案上市,，據(jù)說它通過打印推進(jìn)劑為其火箭的盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,。

早在2020年底,，F(xiàn)irehawk航空航天公司也為其獨(dú)特的增材制造推進(jìn)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(dòng),，旨在為衛(wèi)星發(fā)射器的發(fā)動(dòng)機(jī)提供更安全、更可靠和更低成本的推進(jìn)劑,，據(jù)說當(dāng)時(shí)能提供新層次的性能水平,。

同樣,，在一個(gè)類似的項(xiàng)目中,，澳大利亞詹姆斯-庫(kù)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?yàn)榛旌匣鸺�發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,。為了應(yīng)對(duì)商業(yè)航天發(fā)射的快速增長(zhǎng)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的商業(yè)聚合物集成火箭燃料在測(cè)試中顯示出強(qiáng)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,。