用漂白剂做火箭燃料更安全？新式3D打印催化剂床助力开发肼燃料替代品

2022年2月22日，来自新西兰克赖斯特彻奇的坎特伯雷大学的工程学博士西蒙・里德目前正在研究一种 3D打印的 陶瓷基催化剂装置，可以将浓缩的过氧化氢（一种漂白剂）高效转换为无毒的火箭燃料，并有望用于低到中等推力的运载火箭。 据了解，他现在正与当地的发射公司黎明 航空 航天公司（Dawn Aerospace）合作进行测试。
△ 3D打印陶瓷基催化剂床能够将过氧化氢转化为可用作火箭推进剂的气体。图片来自坎特伯雷大学。
寻找更安全的推进剂 肼最早开发于19世纪末，今天仍然是航空航天领域内常用的火箭推进剂。然而，尽管这种物质仍然是为卫星进入轨道所需的火箭提供燃料的高效手段，但它在干燥时也是不稳定的，而且它对人体的毒性很大，现在被怀疑是一种致癌物。
根据里德（Reid）的说法，在处理肼时需要特别小心，包括使用过程中必要的安全装备和协议，这也使它的使用成本增加价，因此需要一种更安全、低成本的推进燃料来进行替代。有趣的是，这位工程师选择的替代品是过氧化氢，这是一种经常用于漂白头发或清洁伤口的产品，接触后只会造成轻微刺激。 里德表示，将这种家用漂白剂应用到推进剂中需要一种催化剂，这类催化剂通常由贵金属制成，可以将其分解为气体。在后续的研究中，他通过3D打印出一个涂有催化剂的陶瓷装置，当过氧化氢通过它时能够有效地引发化学变化。南极熊推测，选择使用陶瓷作为催化剂床的原因，可能是因为其成本要比银或铂低许多。
"当液体过氧化氢通过催化剂床时，它加速了分解反应，"Reid解释说。"该反应使分子解离，将其变成水和氧气。正是该分子的分解产生了大量的能量和热量。热量使水汽化并产生高温气体，而高温气体通过一个喷嘴就可以提供推力。"
△坎特伯雷大学博士生西蒙-里德和他的3D打印催化剂床。图片来自坎特伯雷大学。
使用漂白剂作为火箭燃料 现在，在为期三年半的博士学习中，里德正在寻求完善他的3D打印漂白剂转化催化剂床的设计。具体来说，这位工程师的目标是最大限度地提高过氧化氢产生的推力，同时限制催化剂从床中的损失，并使他的设备的所有部件尽可能地轻巧和具有商业竞争性。
为了实现这一目标，Reid已经开始与新西兰国家支持的Callaghan创新机构合作，将设备3D打印成具有改进性能的其他催化材料的几何形状，产生更好的推进器性能。 这位博士生发现，在优化催化转化方面，有一种方法特别有希望，那就是将他的催化床3D打印成陀螺状，这在传统的生产方法中是不可能的。在这样做的过程中，Reid相信他的最新设计将是对其前身的升级，因为它将最大限度地减少催化剂的损失，避免巨大的压力下降，并更好地平衡推力与燃料浓度。
展望未来，这位研究生现在打算测试他改进后的催化床功效，并将结果与之前的设计进行比较。更确切地说，他还打算与项目合作者Dawn Aerospace公司进一步合作，该公司是使用过氧化氢作为其可重复使用的航天飞机的燃料，并尝试寻找一种能够更有效循环使用的催化剂。
Reid总结道："其实早在60年代，就有航空公司尝试过将氧化氢作为推进剂，只不过限于当时的催化剂装置比较简陋一直未能实现。如今也只有少数公司在认真考虑过氧化氢用作火箭燃料，希望我们能设计出更高效催化剂，可以让过氧化氢替代肼，并帮助提升航天工业的安全系数。"
△DawnAerospace公司的Mk II极光号过氧化氢燃料航天飞机。图片来自Dawn Aerospace 公司。
3D打印火箭推进剂的潜力
增材制造凭借着强大的创造能力，服务于世界各地火箭制造商的需求，不仅是在生产先进的推进系统方面，还有用于驱动这些系统的燃料上。这方面最引人注目的例子之一是Rocket Lab，这家公司去年以41亿美元的SPAC 并购案上市，据说它通过打印推进剂为其火箭的卢瑟福发动机提供动力。 早在2020年底，Firehawk航空航天公司也为其独特的增材制造推进系统的研发工作筹集了200万美元。该公司的3D打印固体燃料棒由一种燃料驱动，旨在为卫星发射器的发动机提供更安全、更可靠和更低成本的推进剂，据说当时能提供新层次的性能水平。
同样，在一个类似的项目中，澳大利亚詹姆斯-库克大学的科学家们此前已经提出了3D打印燃料颗粒，能够为混合火箭发动机提供动力。为了应对商业航天发射的快速增长，该团队开发的商业聚合物集成火箭燃料在测试中显示出强大的潜力，作为向低地球轨道（LEO）发射设备的一种便捷手段。