Una nueva generación de propulsores de cohetes para la exploración del espacio profundo, como propulsores líquidos iónicos de larga duración y alta estabilidad. están atrayendo una atención significativa. Sin embargo, Los propulsores líquidos iónicos están fuertemente restringidos por su inadecuada reactividad hipergólica (ignición espontánea) entre el combustible y el oxidante. donde este defecto puede causar quemaduras locales y explosiones accidentales durante el lanzamiento del cohete. En un nuevo informe, Wen-Li Yuan y un equipo de investigación en Química de la Universidad de Sichuan en China y la Universidad de Idaho en los EE. UU. Han propuesto un modelo visual para demostrar las características de los propulsores para estimar su rendimiento y aplicaciones. El genoma de materiales y el modelo de visualización de los propulsores mejoraron enormemente la eficiencia y la calidad del desarrollo de propulsores de rendimiento con aplicaciones para descubrir moléculas funcionales nuevas y avanzadas en el campo de los materiales energéticos. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Exploración espacial y método del genoma de materiales.

Una estrategia reciente para descubrir nuevos materiales presenta un método basado en "materiales genomas, "que se basa en el análisis de big data de las estructuras y propiedades de los materiales de destino para descubrir nuevos materiales. Los investigadores tienen como objetivo construir programas de inteligencia artificial y detección para analizar una gran cantidad de estructuras posibles en un corto período de tiempo utilizando el método. Yuan et al. aplicaron el método del genoma de materiales en este trabajo para predecir el aditivo hipergólico más probable. Los seres humanos siempre han estado fascinados con la exploración espacial y han imaginado viajar a través del espacio-tiempo, aunque los límites tecnológicos han impedido esta ambición durante miles de años. En el presente, Se están desarrollando naves espaciales de alto rendimiento con tecnologías modernas para lograr la navegación espacial tripulada y no tripulada dentro de la órbita terrestre baja y en todo nuestro sistema solar.

La energía química liberada por un propulsor (combustible para cohetes) forma la fuente de energía de los cohetes y las naves espaciales. y puede determinar el rango de altitud y la vida útil de una nave espacial. Los ejemplos incluyen el cohete Atlas-Centaur basado en dihidrógeno líquido y combustible de oxígeno, con destino a Marte y Venus, así como el cohete Long March 3B que contiene UDMH (dimetilhidrazina asimétrica) / tetróxido de dinitrógeno a la luna. Sin embargo, Estos propulsores o combustibles para cohetes de alto rendimiento están limitados por una alta toxicidad y descomposición, junto con su existencia estable solo a temperaturas extremadamente bajas. Por tanto, existe la necesidad de un método eficaz y sistemático para diseñar aditivos hipergólicos de alto rendimiento. El método del genoma de materiales puede reducir el período de investigación necesario para desarrollar estos nuevos materiales.

Establecimiento de una base de datos del genoma de materiales hipergólicos

Para establecer una base de datos del genoma de materiales hipergólicos, el equipo identificó estructuras clave de compuestos hipergólicos y exploró sus relaciones estructura-actividad. Una reacción hipergólica es una reacción redox exotérmica (es decir, combustión) donde los componentes pueden encenderse espontáneamente al entrar en contacto con una cámara de combustión de cohete. Estos compuestos suelen estar hechos de elementos generadores de gas como carbono y nitrógeno. Al igual que la relación entre el gen y su par de bases, el hidrógeno diverso (H), carbono (C), el nitrógeno (N) y otros elementos constituyen una serie de estructuras y grupos funcionales hipergólicos para generar compuestos hipergólicos como propulsores de cohetes adecuados. Los materiales debían tener un tiempo de retardo de encendido, una alta entalpía de combustión y un alto impulso específico para determinar la capacidad de carga útil total de energía de los cohetes. Los aditivos propulsores también deben ser estables y compatibles. Basado en estos requisitos, Yuan y col. proporcionó un método directo para identificar estructuras clave de aditivos hipergólicos a partir de la composición elemental de sus estructuras funcionales.

Propelentes energéticos ricos en nitrógeno y carbono

Los propulsores energéticos ricos en nitrógeno pueden impulsar la energía más allá de los combustibles tradicionales para mejorar el impulso específico de los combustibles para cohetes. Usando la literatura existente, los investigadores encontraron la relación de más de 1000 propulsores y sus mezclas para comprender la conexión entre su composición elemental y las propiedades de descomposición térmica. Los propulsores que contenían entre un 30 y un 50 por ciento de contenido de nitrógeno tenían la mayor estabilidad térmica con temperaturas de descomposición superiores a 200 grados Celsius. Los investigadores dedujeron un contenido de nitrógeno apropiado para cumplir con los requisitos específicos y la estabilidad térmica de los propulsores de alto rendimiento. El contenido de elementos de carbono también generó cantidades sustanciales de calor de combustión y dióxido de carbono gaseoso necesarios para que la propulsión de la nave espacial proporcione suficiente energía química para vencer la gravedad. Basado en la entalpía de combustión entre carbono y nitrógeno, la entalpía de la combustión del propulsor se relacionó positivamente con el contenido de carbono. Para diseñar los propulsores, el equipo combinó los límites de los elementos nitrogenados en los propulsores con un contenido de carbono más alto permitido para lograr el mejor rendimiento para el impulso específico y la entalpía de combustión.

Composición estructural y análisis cuántico

La composición estructural fue otra característica clave de los propulsores de alto rendimiento para determinar su estabilidad. comportamiento de ignición y toxicidad biológica. Los líquidos iónicos compuestos de cationes y aniones tienen ventajas únicas de miscibilidad, volatilidad, hipotoxicidad y estabilidad térmica para reducir en gran medida el riesgo de exposición del operador a aerosoles y deflagración. Usando un método de detección, Yuan y col. proporcionó orientación básica para diseñar e identificar rápidamente compuestos objetivo y considerar otros indicadores importantes, incluyendo reactividad y densidad hipergólicas, para seleccionar la mejor estructura de rendimiento.

Luego, el equipo realizó un análisis cuántico mediante la investigación de la teoría de los aniones de los orbitales moleculares (MO) como criterio para determinar la hipergolicidad y probó 15 aniones. de los cuales los líquidos iónicos de (1-metilhidrazinil) tetrazolato (MHT) cumplen todos los requisitos de los aditivos hipergólicos. Por tanto, la base de datos del genoma y el proceso de selección estaban completos. Yuan y col. luego estudió la estructura y propiedades fisicoquímicas de los líquidos iónicos MHT, incluyendo la densidad, propiedades de estabilidad térmica y detonación. De paso, el combustible MHT basado en el catión 1-butil-3-metilimidazolio (Bmim +) tuvo la temperatura de descomposición térmica más alta, más allá de los 200 grados Celsius, que era seguro en condiciones extremas en el espacio. El equipo también probó dos propulsores adicionales basados ​​en (Bmim +), incluidos la dicianamida a base de Bmim (BmimDCA) y los líquidos iónicos Bmim 5-aminotetrazol (BmimAT).

Outlook:propulsores de alto rendimiento

Dado que la toxicidad era un problema grave en los propulsores, el equipo probó la toxicidad de los líquidos iónicos utilizando una bacteria Vibrio fischeri que puede determinar la aceptabilidad ambiental y el parámetro de toxicología de los materiales. Los líquidos iónicos combinados BmimMHT / BmimDCA resultaron ventajosos como propulsores ecológicos en comparación con los combustibles tradicionales. El líquido iónico DCA fue más exclusivo en relación con la toxicidad, estabilidad y volatilidad. Basado en la guía del método del genoma material de los propulsores, Yuan y col. combinó el líquido iónico DCA con BmimMHT, para compensar el comportamiento hipergólico insuficiente del DCA.

De este modo, Wen-Li Yuan y sus colegas diseñaron una familia de propulsores de alto rendimiento que no se conocían previamente mediante el método del genoma de materiales propulsores. El líquido iónico MHT resolvió con éxito el comportamiento de ignición de los líquidos iónicos DCA. La estrategia de diseño resumió la relación estructura-actividad de los propulsores combinada con la estabilidad, hipergolicidad y toxicidad en un método de genoma de materiales de primer estudio integrado en el campo de los propulsores. El enfoque del genoma guiará y promoverá el diseño molecular y la aplicación de nuevos materiales para desarrollar nuevos propulsores de alto rendimiento.

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