Infravermelho de alta velocidade revela propulsor hipergólico mais seguro

Quando a cápsula Crew Dragon da SpaceX caiu na costa da Flórida em agosto, após sua primeira missão tripulada, os dois astronautas não conseguiram sair da cápsula imediatamente. Técnicos do lado de fora tiveram que confirmar que não havia vapores no ar da hidrazina, um combustível altamente tóxico usado pelos propulsores hipergólicos do veículo. Agora, os pesquisadores de combustão da Universidade de Purdue estão investigando um propulsor hipergólico mais seguro e menos tóxico, estudando sua reação explosiva com uma nova técnica envolvendo câmeras de alta velocidade visíveis e infravermelhas. Os hipergólicos são substâncias que se inflamam instantaneamente quando entram em contato umas com as outras.

“Os hipergólicos têm sido usados ​​desde a era Apollo e antes”, disse Steven Son, professor de engenharia mecânica Alfred J. McAllister de Purdue e especialista em materiais energéticos, como propelentes, explosivos e pirotecnia. “Eles podem ser armazenados à temperatura ambiente e inflamam instantaneamente quando misturados, o que os torna mais versáteis e confiáveis ​​do que os combustíveis criogênicos.”

Embora seu uso em foguetes seja bem documentado, os atuais combustíveis hipergólicos também são notoriamente perigosos para os humanos e ruins para o meio ambiente. Ao contrário da maioria dos outros combustíveis hipergólicos, o borano de amônia (NH3BH3) é um material sólido, estável em condições atmosféricas típicas. Por causa de sua densidade de hidrogênio, foi desenvolvido pela primeira vez como um meio de armazenamento em estado sólido para hidrogênio. Mas pesquisadores de combustão descobriram recentemente suas propriedades hipergólicas, que podem ser usadas como parte de um propulsor híbrido.

“Antes que isso possa ser usado no mundo real, temos que entender a ciência fundamental da combustão que governa seu comportamento”, disse Chris Goldenstein, professor assistente de engenharia mecânica de Purdue. “Estamos usando uma nova abordagem que combina imagens visíveis e infravermelhas para caracterizar o processo de combustão.”

A imagem infravermelha permite que os pesquisadores vejam a composição química da chama durante todo o processo de combustão. “Cada molécula tem uma impressão digital espectral única”, disse Goldenstein. “Ao procurar comprimentos de onda específicos de luz, podemos identificar onde no espaço certas moléculas estão distribuídas e saber quão completo é o processo de combustão. Muitos dos comprimentos de onda desejados não são visíveis a olho nu, e a imagem infravermelha é a única maneira de vê-los.”

Como a reação ocorre em apenas alguns milissegundos, os pesquisadores usam câmeras especiais capazes de capturar pelo menos 2.000 quadros por segundo. O vídeo de alta velocidade revela um flash verde notável e em rápida expansão, demonstrando o poder das substâncias hipergólicas.

"Geralmente começamos com amostras muito pequenas", disse Michael Baier, Ph.D. estudante da Escola de Aeronáutica e Astronáutica de Purdue, que conduz os experimentos no Zucrow Labs. “Usamos apenas um pouco de pó do borano de amônia e, acima dele, uma seringa que dispensa uma gota de microlitro do oxidante, que, neste caso, é o ácido nítrico fumegante branco. Mesmo assim, faz um grande estrondo. Esses poucos milissegundos nos fornecem todos os dados de que precisamos para caracterizar a ignição.”

Son disse:“Graças à imagem infravermelha, vimos muito sinal de BO2, o que foi surpreendente para nós. Isso indica que o borano de amônia está alcançando uma combustão completa ainda melhor do que os combustíveis convencionais de boro.”

Embora o borano de amônia possa ser menos tóxico do que os hipergólicos tradicionais à base de hidrazina, ainda é bastante perigoso trabalhar com todos os materiais energéticos. Mas o Zucrow Labs pesquisa tecnologias de propulsão desde 1948 e é um dos poucos laboratórios da academia totalmente equipados para estudar materiais energéticos.