Los catalizadores impresos en 3D ultraeficientes podrían ayudar a resolver el desafío del sobrecalentamiento en aviones hipersónicos y ofrecer una solución revolucionaria para la gestión térmica en innumerables industrias.

Desarrollado por investigadores de RMIT, los catalizadores altamente versátiles son rentables de fabricar y sencillos de escalar.

Las demostraciones de laboratorio del equipo muestran que los catalizadores impresos en 3D podrían potencialmente usarse para impulsar el vuelo hipersónico mientras simultáneamente enfría el sistema.

La investigación se publica en la revista Royal Society of Chemistry, Comunicaciones químicas .

El investigador principal, el Dr. Selvakannan Periasamy, dijo que su trabajo abordó uno de los mayores desafíos en el desarrollo de aviones hipersónicos:controlar el increíble calor que se acumula cuando los aviones vuelan a más de cinco veces la velocidad del sonido.

"Nuestras pruebas de laboratorio muestran que los catalizadores impresos en 3D que hemos desarrollado son muy prometedores para impulsar el futuro del vuelo hipersónico, "Dijo Periasamy.

"Potente y eficiente, ofrecen una solución potencial emocionante para la gestión térmica en la aviación y más allá.

"Con un mayor desarrollo, Esperamos que esta nueva generación de catalizadores impresos en 3D ultraeficientes se pueda utilizar para transformar cualquier proceso industrial en el que el sobrecalentamiento sea un desafío constante ".

Necesidad de la velocidad

Solo unos pocos aviones experimentales han alcanzado la velocidad hipersónica (definida como Mach 5 anterior:más de 6, 100 km por hora o 1,7 km por segundo).

En teoria, un avión hipersónico podría viajar de Londres a Sydney en cuatro horas, pero aún quedan muchos desafíos en el desarrollo del transporte aéreo hipersónico, como los niveles extremos de calor.

Primer autor y Ph.D. La investigadora Roxanne Hubesch dijo que usar combustible como refrigerante era uno de los enfoques experimentales más prometedores para el problema del sobrecalentamiento.

"Los combustibles que pueden absorber el calor mientras se alimenta un avión son un enfoque clave para los científicos, pero esta idea se basa en reacciones químicas que consumen calor y que necesitan catalizadores altamente eficientes, "Dijo Hubesch.

"Adicionalmente, los intercambiadores de calor donde el combustible entra en contacto con los catalizadores deben ser lo más pequeños posible, debido a las estrechas limitaciones de volumen y peso de los aviones hipersónicos ".

Para hacer los nuevos catalizadores, El equipo imprimió en 3D pequeños intercambiadores de calor hechos de aleaciones metálicas y los recubrió con minerales sintéticos conocidos como zeolitas.

Los investigadores replicaron a escala de laboratorio las temperaturas y presiones extremas experimentadas por el combustible a velocidades hipersónicas. para probar la funcionalidad de su diseño.

Reactores químicos en miniatura

Cuando las estructuras impresas en 3D se calientan, parte del metal se mueve hacia la estructura de la zeolita, un proceso crucial para la eficiencia sin precedentes de los nuevos catalizadores.

"Nuestros catalizadores impresos en 3D son como reactores químicos en miniatura y lo que los hace tan increíblemente efectivos es esa mezcla de metales y minerales sintéticos, "Dijo Hubesch.

"Es una nueva dirección emocionante para la catálisis, pero necesitamos más investigación para comprender completamente este proceso e identificar la mejor combinación de aleaciones metálicas para lograr el mayor impacto ".

Los próximos pasos para el equipo de investigación del Centro de Materiales Avanzados y Química Industrial (CAMIC) de RMIT incluyen optimizar los catalizadores impresos en 3D estudiándolos con técnicas de sincrotrón de rayos X y otros métodos de análisis en profundidad.

Los investigadores también esperan extender las aplicaciones potenciales del trabajo al control de la contaminación del aire para vehículos y dispositivos en miniatura para mejorar la calidad del aire en interiores, especialmente importante en el manejo de virus respiratorios en el aire como COVID-19.

Director CAMIC, Distinguido profesor Suresh Bhargava, dijo que la industria química de un billón de dólares se basa en gran medida en la vieja tecnología catalítica.

"Esta tercera generación de catálisis se puede vincular con la impresión 3D para crear nuevos diseños complejos que antes no eran posibles, "Dijo Bhargava.

"Nuestros nuevos catalizadores impresos en 3D representan un enfoque radicalmente nuevo que tiene un potencial real para revolucionar el futuro de la catálisis en todo el mundo".

Los catalizadores impresos en 3D se produjeron utilizando la tecnología Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) en las instalaciones de fabricación digital. parte del recinto de fabricación avanzada de RMIT.

Bhargava y el distinguido profesor Milan Brandt, director de la Planta de Fabricación Digital, conceptualizó la idea de catalizadores impresos en 3D y diseño de reactores químicos.

El coautor del estudio, el Dr. Maciej Mazur, del RMIT Center for Additive Manufacturing, dijo que el trabajo era un claro ejemplo de innovación posible gracias a la colaboración interdisciplinaria.

"La combinación de la fabricación aditiva con las ciencias químicas ha producido resultados revolucionarios, "Dijo Mazur.

"Zeolitas en estructura de marco de metal abierto impresa en 3D:la migración de metal a la zeolita promovió el craqueo catalítico de combustibles endotérmicos para vehículos de vuelo" se publica en Comunicaciones químicas .