Infrarrojo de alta velocidad descubre propelente hipergólico más seguro

Cuando la cápsula Crew Dragon de SpaceX amerizó frente a la costa de Florida en agosto tras su primera misión tripulada, los dos astronautas dentro no pudieron salir de la cápsula inmediatamente. Los técnicos fuera tuvieron que confirmar que no había vapores en el aire de hidracina, un combustible altamente tóxico usado por los propulsores hipergólicos del vehículo. Ahora, investigadores de combustión de la Universidad 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 tanto visibles como infrarrojas. Los hipergólicos son sustancias que se encienden instantáneamente cuando entran en contacto entre sí.

"Los hipergólicos se han usado desde la era Apolo y antes", dijo Steven Son, Profesor Alfred J. McAllister de Ingeniería Mecánica de Purdue, y experto en materiales energéticos como propelentes, explosivos y pirotécnicos. "Pueden almacenarse a temperatura ambiente, y se encienden instantáneamente al mezclarse, lo que los hace más versátiles y confiables que combustibles criogénicos."

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

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

La imagen infrarroja permite a investigadores ver la composición química de la llama a lo largo del proceso de combustión. "Cada molécula tiene una huella espectral única", dijo Goldenstein. "Al buscar longitudes de onda específicas de luz, podemos identificar dónde en el espacio ciertas moléculas están distribuidas y saber qué tan completa es la combustión. Muchas de las longitudes de onda deseadas no son visibles al ojo desnudo, y la imagen infrarroja es la única forma de verlas."

Porque la reacción ocurre en solo unos milisegundos, los investigadores usan cámaras especializadas capaces de capturar al menos 2,000 cuadros por segundo. El video de alta velocidad revela un notable y rápidamente expansivo destello verde, demostrando el poder de sustancias hipergólicas.

"Generalmente empezamos con muestras muy pequeñas", dijo Michael Baier, estudiante Ph.D. en la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de Purdue, quien conduce 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 humeante blanco. Incluso entonces, hace un estruendo bastante grande. Esos pocos milisegundos nos dan todos los datos que necesitamos para caracterizar la ignición."

Son dijo, "Gracias a la imagen infrarroja, vimos mucha señal BO2, lo cual nos sorprendió. Esto indica que el borano de amoníaco está logrando combustión completa incluso mejor que combustibles de boro convencionales."

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