Los propulsores sólidos eléctricos se están explorando como una opción más segura para la pirotecnia, minería, y propulsión en el espacio porque solo se encienden con una corriente eléctrica. Pero debido a que todas estas aplicaciones requieren altas temperaturas, Es importante comprender cómo las altas temperaturas cambian la química de los propulsores. Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri, y la NASA utilizó un modelo informático que simula las propiedades termoquímicas de materiales de alta temperatura para predecir la termoquímica de un nuevo propulsor sólido eléctrico de alto rendimiento.

"En propulsores de plasma pulsado de ablación, hay un plasma de alta temperatura junto a la superficie del propulsor sólido eléctrico. El calor hace que pequeñas cantidades del propulsor se eliminen o se eliminen de la superficie y se vaporicen. Este material sometido a ablación se acelera luego a altas velocidades para propulsar el cohete. Sin embargo, la alta temperatura también cambia la composición química del material. No teníamos esa información de composición química hasta ahora, "dijo Joshua Rovey, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Facultad de Ingeniería Grainger de la U de I.

¿De qué calor estamos hablando? A modo de ejemplo, 12, 000 grados Kelvin es la temperatura de la superficie de una estrella. El modelo simuló temperaturas de 500 a 40, 000 grados Kelvin.

A estas altas temperaturas, la química del propulsor sólido cambia. El material de teflón convencional se compone de dos carbonos y cuatro flúor que están unidos entre sí. A medida que ablata, sale tan caliente que las moléculas se disocian. Los carbonos y los flúor se desprenden entre sí.

"Hace tanto calor que los electrones salen de esos átomos, "Dijo Rovey." Ahora tienes electrones cargados negativamente moviéndose e iones cargados positivamente que permanecen como un fluido. El gas caliente se expulsa del propulsor a altas velocidades que generan empuje y propulsión de la nave espacial. Este trabajo es un modelo numérico para predecir la termodinámica y el equilibrio de este propulsor cuando se vaporiza y se encuentra a estas altas temperaturas ".

La investigación comenzó con un modelo numérico desarrollado previamente para el material y los datos de teflón para proporcionar un punto de referencia. Después de confirmar que simularon el teflón correctamente, los investigadores utilizaron el mismo modelo, pero utilizando las condiciones de entrada del propulsor eléctrico de alto rendimiento para predecir su conductividad e ionización a las mismas temperaturas que el teflón.

Una conclusión principal del estudio es que el propulsor eléctrico de alto rendimiento tiene una entalpía más alta (energía almacenada en el gas) a estas temperaturas extremas.

"Es posible que tengamos más de lo que se llama pérdidas de flujo congelado asociadas con este material que con el teflón, "Dijo Rovey." El propulsor eléctrico de alto rendimiento almacena más energía internamente en el gas. Para propulsión, queremos que esa energía se destine a acelerar el gas. No queremos poner mucha energía en estos modos internos. Sí, hace gas muy caliente, pero queremos gas de alta velocidad.

"Esa es una de las desventajas de usarlo:almacenar más energía en estos modos internos reduce la eficiencia. Lo que mostró esta investigación es que la razón se debe fundamentalmente a la termoquímica del material:la composición de los átomos y moléculas en sistemas eléctricos de alto rendimiento. propulsor y cómo responden al calor intenso y las altas temperaturas ".

Rovey dijo que la información de este trabajo se puede aplicar a otras aplicaciones de propulsantes sólidos, como pirotecnia o en ablación láser.

"Ya sea un propulsor de plasma pulsado alimentado por ablación, un láser que hace la ablación de una superficie, u otra técnica de deposición de energía, simplemente estamos estudiando cómo se comporta este material a diferentes temperaturas, cómo cambia su composición química ".

El estudio, "Propiedades termodinámicas del plasma propulsor sólido eléctrico a base de nitrato de hidroxilamonio, "aparece en el Revista de termofísica y transferencia de calor .