De la rue à la stratosphère : la technologie de conduite propre permet un carburant de fusée plus propre
Un produit chimique utilisé dans les batteries des véhicules électriques pourrait également nous fournir un carburant sans carbone pour les vols spatiaux, selon une nouvelle étude de l’UC Riverside.
En plus des réductions d’émissions, ce produit chimique présente également plusieurs avantages par rapport aux autres types de carburants pour fusées : une énergie plus élevée, des coûts inférieurs et aucune exigence de stockage congelé.
Le produit chimique, l’ammoniac borane, est actuellement utilisé pour stocker l’hydrogène dans les piles à combustible qui alimentent les véhicules électriques. Les chercheurs de l’UCR comprennent maintenant comment cette combinaison de bore et d’hydrogène peut libérer suffisamment d’énergie pour lancer également des fusées et des satellites.
« Nous sommes les premiers à démontrer qu’en plus des véhicules électriques, le borane d’ammoniac peut également être utilisé pour faire fonctionner des fusées, dans de bonnes conditions », a déclaré Prithwish Biswas, ingénieur chimiste UCR et premier auteur de la nouvelle étude. Leur démonstration a maintenant été publiée dans The Journal of Physical Chemistry C.
Les carburants de fusée les plus couramment utilisés sont à base d’hydrocarbures et sont connus pour avoir divers impacts environnementaux négatifs. Ils peuvent empoisonner le sol pendant des décennies, provoquer le cancer et produire des pluies acides, des trous d’ozone et des gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone.
En revanche, une fois brûlé, le borane d’ammoniac libère les composés bénins d’oxyde de bore et d’eau. « C’est beaucoup moins nocif pour l’environnement », a déclaré Biswas.
Comparé aux carburants à base d’hydrocarbures, le borane d’ammoniac libère également plus d’énergie, ce qui peut entraîner des économies de coûts car il en faut moins pour alimenter le même vol.
Pour libérer l’énergie du carburant et permettre la combustion, des catalyseurs et des oxydants sont ajoutés pour fournir de l’oxygène supplémentaire au carburant. Les piles à combustible utilisent souvent des catalyseurs à cette fin. Ils augmentent la vitesse de combustion, mais ils restent également sous la même forme avant et après la réaction.
« Les engins spatiaux nécessitent de grandes quantités d’énergie en peu de temps, il n’est donc pas idéal d’utiliser un catalyseur car il ne contribue pas à l’énergie dont vous avez besoin. C’est comme une masse morte dans votre réservoir d’essence », a déclaré Pankaj Ghildiyal, Ph.D. en chimie à l’Université du Maryland. étudiant et co-auteur de l’étude, travaillant actuellement à l’UCR.
La chimie inhérente à la décomposition du borane d’ammoniac empêche la libération de son énergie totale lors de la réaction avec la plupart des oxydants. Cependant, les chercheurs ont trouvé un oxydant qui altère les mécanismes de décomposition et d’oxydation de ce carburant, conduisant à l’extraction de son contenu énergétique total.
« Ceci est analogue à l’utilisation de convertisseurs catalytiques pour permettre la combustion complète des hydrocarbures », a déclaré Ghildiyal. « Ici, nous avons pu créer une combustion plus complète des produits chimiques et augmenter l’énergie de l’ensemble de la réaction en utilisant la chimie de l’oxydant lui-même, sans avoir besoin d’un catalyseur. »
En plus de créer des sous-produits indésirables, certains carburants pour fusées nécessitent également un stockage à des températures inférieures à zéro. « La NASA a utilisé de l’hydrogène liquide, qui a une très faible densité », a déclaré Ghildiyal. « Il nécessite donc beaucoup d’espace ainsi que des conditions cryogéniques pour la maintenance. »
En revanche, ce combustible est stable à température ambiante et résiste aux fortes chaleurs. Dans cette étude, les chercheurs ont créé de très fines particules nanométriques de borane d’ammonium, qui pourraient se dégrader en un mois dans des environnements très humides.
L’équipe de recherche étudie actuellement la façon dont les particules de borane d’ammonium de différentes tailles vieillissent dans différents environnements. Ils développent également des méthodes d’encapsulation des particules de carburant dans un revêtement protecteur, afin d’améliorer leur stabilité dans des conditions humides.
Cette recherche a été supervisée par Michael R. Zachariah, professeur de génie chimique à l’UCR, et financée par le programme University Research Alliances de l’US Defense Threat Reduction Agency ainsi que par l’Office of Naval Research. Les agences ont accordé les fonds pour aider à générer des carburants de vol plus propres et plus efficaces.
Les calculs de chimie quantique nécessaires pour étayer les observations expérimentales de cette étude ont été effectués en collaboration avec les scientifiques des matériaux UCR Hyuna Kwon et Bryan M. Wong.
« Nous avons déterminé la chimie fondamentale qui alimente cette combinaison de carburant et d’oxydant », a déclaré Biswas. « Maintenant, nous sommes impatients de voir comment il fonctionne à grande échelle. »