Infravermelho de Alta Velocidade Revela Propelente Hipergólico Mais Seguro

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

"Hipergólicos têm sido usados desde a era Apollo e antes," disse Steven Son, Professor Alfred J. McAllister de Engenharia Mecânica da Purdue, e especialista em materiais energéticos como propelentes, explosivos e pirotécnicos. "Eles podem ser armazenados em temperatura ambiente, e inflamam instantaneamente quando misturados, o que os torna mais versáteis e confiáveis que combustíveis criogênicos."

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

"Antes que isso possa ser usado no mundo real, temos que entender a ciência fundamental de combustão governando seu comportamento," disse Chris Goldenstein, professor assistente de engenharia mecânica da Purdue. "Estamos usando uma nova abordagem que combina imagem visível e infravermelha para caracterizar o processo de combustão."

Imagem infravermelha permite pesquisadores verem a composição química da chama através do processo de combustão. "Cada molécula tem uma impressão digital espectral única," disse Goldenstein. "Procurando comprimentos de onda específicos de luz, podemos identificar onde no espaço certas moléculas são distribuídas e saber quão completa a combustão é. Muitos dos comprimentos de onda desejados não são visíveis a olho nu, e 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 rapidamente expandindo, demonstrando o poder de substâncias hipergólicas.

"Geralmente começamos com amostras muito pequenas," disse Michael Baier, estudante de Ph.D. na Escola de Aeronáutica e Astronáutica da Purdue, que conduz os experimentos nos Laboratórios Zucrow. "Usamos apenas um pouco de pó de borano de amônia, e acima está uma seringa que dispensa uma gota de microlitro do oxidante, que neste caso é ácido nítrico fumegante branco. Mesmo assim, faz um estrondo bem grande. Esses poucos milissegundos nos dão todos os dados que precisamos para caracterizar a ignição."

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

Embora borano de amônia possa ser menos tóxico que hipergólicos tradicionais baseados em hidrazina, ainda é bastante perigoso trabalhar com, como são todos materiais energéticos. Mas Laboratórios Zucrow tem pesquisado tecnologias de propulsão desde 1948 e é um dos poucos laboratórios na academia que está totalmente equipado para estudar materiais energéticos.