Гіперзвукові літальні апарати, які літають у багато разів швидше швидкості звуку, одного разу можуть доставити людей з Європи до Австралії всього за пару годин, але при такій швидкості виникає дуже висока температура.
Один із способів, яким вчені сподіваються запобігти перегріву літаків, - це змусити паливо виконувати подвійну функцію як охолоджувальну рідину, підтримуючи безпечну робочу температуру літака, поки він летить. Нещодавно розроблені каталізатори, надруковані на 3D-принтері, можуть стати відсутнім елементом цієї головоломки, оскільки лабораторні випробування показують, що вони можуть запускати необхідні хімічні реакції для високоефективного поглинання тепла.
У той час як холодні температури на великій висоті достатні для запобігання перегріву звичайних реактивних літаків, це зовсім інша історія для літаків, що летять з гіперзвуковою швидкістю понад 6 100 км/год, де тертя між літаком і зовнішнім повітрям викликає колосальний нагрів обшивки. З 1960-х років вивчалася ідея вирішення цієї проблеми за допомогою так званого ендотермічного палива, яке могло б діяти як пропеллент і як теплоносій першого контуру літака.
У цьому сценарії який-небудь теплообмінник буде вловлювати тепло від нагрітих частин і передавати його холодному вуглеводневому паливу. Коли це паливо нагрівається і досягає певної температури, воно запускає хімічні реакції, в результаті яких вуглеводні розбиваються на більш прості частини, які потім можна використовувати для руху.
«Паливо, яке може поглинати тепло при польоті літака, є ключовим напрямком для вчених, але ця ідея заснована на споживаючих тепло хімічних реакціях, для яких потрібні високоефективні каталізатори», - говорить автор дослідження Роксана Хубеш з австралійського університету RMIT. «Крім того, теплообмінники, в яких паливо контактує з каталізаторами, повинні бути якомога менше через жорсткі обмеження за обсягом і вагою в гіперзвукових літаках».
У пошуках вирішення цієї проблеми Роксана Хубеш і її колеги використовували 3D-друк для створення решітчастих структур з металевих сплавів, покритих синтетичними мінералами, званими цеолітами. Вчені описують їх як мініатюрні хімічні реактори і піддають їх лабораторним випробуванням, покликаним імітувати екстремальні температури і тиск палива, які витримує гіперзвукова швидкість. Випробування показали, що в міру нагріву структур частина металу, швидше за все хрому, мігрує в каркас цеоліту, що призводить до «безпрецедентної каталітичної активності».
«Наші каталізатори, надруковані на 3D-принтері, схожі на мініатюрні хімічні реактори, і те, що робить їх такими неймовірно ефективними, - це суміш металів і синтетичних мінералів», - кажуть вчені. «Це захоплюючий новий напрямок для каталізу, але нам потрібні додаткові дослідження, щоб повністю зрозуміти цей процес і визначити кращу комбінацію металевих сплавів для найбільшого впливу».
Дослідники виготовили безліч каталізаторів, надрукованих на 3D-принтері, в експериментальних форматах, але належить ще багато роботи, перш ніж ми побачимо, що вони будуть працювати в літаках наступного покоління. Вчені тепер будуть використовувати методи рентгенівського синхротрону серед інших методів, щоб вивчити їх функції більш докладно і оптимізувати їх роботу.
«Наші лабораторні випробування показують, що розроблені нами каталізатори, надруковані на 3D-принтері, мають великі перспективи для майбутнього розвитку гіперзвукових польотів», - говорить провідний автор роботи Сельваканнан Периасамі. "Потужні та ефективні, вони пропонують захоплююче потенційне рішення для управління температурним режимом в авіації і за її межами. Ми сподіваємося, що при подальшому розвитку це нове покоління надефективних каталізаторів, надрукованих на 3D-принтері, можна буде використовувати для перетворення будь-якого промислового процесу, де перегрів є постійною проблемою ".
Дослідження було опубліковано в журналі Chemical Communications.