El infrarrojo de alta velocidad revela un propelente hipergólico más seguro

Cuando la cápsula Crew Dragon de SpaceX se hundió frente a la costa de Florida en agosto después de su primera misión tripulada, los dos astronautas que estaban dentro no pudieron salir de la cápsula de inmediato. Los técnicos en el exterior tuvieron que confirmar que no había vapores de hidracina en el aire, un combustible altamente tóxico utilizado por los propulsores hipergólicos del vehículo. Ahora, los investigadores de combustión de la Universidad de Purdue están investigando un propelente hipergólico más seguro y menos tóxico, estudiando su reacción explosiva con una nueva técnica que involucra cámaras de alta velocidad visibles e infrarrojas. Los hipergólicos son sustancias que se encienden instantáneamente cuando entran en contacto entre sí.

"Los hipergólicos se han utilizado desde la era Apolo y antes", dijo Steven Son, profesor de Ingeniería Mecánica Alfred J. McAllister de Purdue y experto en materiales energéticos como propulsores, explosivos y pirotecnia. "Se pueden almacenar a temperatura ambiente y se encienden instantáneamente cuando se mezclan, lo que los hace más versátiles y confiables que los combustibles criogénicos".

Aunque su uso en cohetes está bien documentado, los combustibles hipergólicos actuales también son notoriamente peligrosos para los humanos y malos para el medio ambiente. A diferencia de la mayoría de los otros combustibles hipergólicos, el borano de amoníaco (NH3BH3) es un material sólido, estable en condiciones atmosféricas típicas. Debido a su densidad de hidrógeno, se desarrolló por primera vez como un medio de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido. Pero los investigadores de combustión han descubierto recientemente sus propiedades hipergólicas, que podrían usarse como parte de un propulsor híbrido.

"Antes de que esto pueda usarse en el mundo real, debemos comprender la ciencia de combustión fundamental que rige su comportamiento", dijo Chris Goldenstein, profesor asistente de ingeniería mecánica de Purdue. "Estamos utilizando un nuevo enfoque que combina imágenes visibles e infrarrojas para caracterizar el proceso de combustión".

Las imágenes infrarrojas permiten a los investigadores ver la composición química de la llama durante todo el proceso de combustión. “Cada molécula tiene una huella digital espectral única”, dijo Goldenstein. “Al buscar longitudes de onda de luz específicas, podemos identificar en qué parte del espacio se distribuyen ciertas moléculas y saber qué tan completo es el proceso de combustión. Muchas de las longitudes de onda deseadas no son visibles a simple vista, y las imágenes infrarrojas son la única forma de verlas”.

Debido a que la reacción ocurre en solo unos pocos milisegundos, los investigadores usan cámaras especiales capaces de capturar al menos 2000 cuadros por segundo. El video de alta velocidad revela un notable destello verde que se expande rápidamente, lo que demuestra el poder de las sustancias hipergólicas.

“Generalmente comenzamos con muestras muy pequeñas”, dijo Michael Baier, Ph.D. estudiante de la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de Purdue, que realiza los experimentos en Zucrow Labs. “Usamos solo un poco de polvo de borano de amoníaco, y encima hay una jeringa que dispensa una gota de microlitro del oxidante, que, en este caso, es ácido nítrico fumante blanco. Incluso entonces, hace una gran explosión. Esos pocos milisegundos nos brindan todos los datos que necesitamos para caracterizar el encendido".

Son dijo:“Gracias a las imágenes infrarrojas, vimos una gran cantidad de señales de BO2, lo que nos sorprendió. Esto indica que el borano de amoníaco está logrando una combustión completa incluso mejor que los combustibles de boro convencionales”.

Aunque el borano de amoníaco puede ser menos tóxico que los hipergólicos tradicionales a base de hidracina, sigue siendo bastante peligroso trabajar con él, al igual que con todos los materiales energéticos. Pero Zucrow Labs ha estado investigando tecnologías de propulsión desde 1948 y es uno de los pocos laboratorios académicos que está completamente equipado para estudiar materiales energéticos.