Anche la sostenibilità e la compatibilità ambientale sono standard sempre più importanti nei viaggi spaziali. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR, l'agenzia spaziale della Germania) di Lampoldshausen stanno sviluppando combustibili per applicazioni spaziali di prossima generazione. L'attenzione si concentra sulle proprietà rilevanti per l'applicazione come il miglioramento della compatibilità ambientale, la sicurezza, il comportamento a diverse temperature e la riduzione dei costi del carburante.

"Per soddisfare gli elevati requisiti dei nuovi tipi di combustibili, la selezione dei giusti componenti chimici è fondamentale fin dall'inizio," afferma il dott. Dominic Freudenmann, capo del dipartimento di tecnologia dei combustibili chimici presso l'Istituto per la Propulsione Spaziale della DLR. Gli scienziati dell'agenzia quindi ricercano "mix chimici" innovativi nel proprio laboratorio e li confrontano sistematicamente tra loro al fine di sviluppare nuovi combustibili ideali per i viaggi nello spazio. Come base è disponibile un repertorio diversificato di sintesi di materiali funzionali e nuove sostanze come i liquidi ionici. Due nuovi carburanti sono stati ora testati con successo. A tal fine è fondamentale una nuova camera di combustione particolarmente resistente al calore. Sono richiesti combustibili che siano in grado di sostituire l'idrazina (N2H4). Che si tratti di satelliti, sonde o stadi di razzi, l'idrazina è stata utilizzata nei sistemi di propulsione spaziale come monopropellente, ovvero come carburante mono-componente o come bipropellente, ovvero in una combinazione di carburante con un ossidante. L'idrazina ha il vantaggio, tra le altre cose, di essere efficiente e di poter essere conservata a lungo a temperature ambiente. Come monopropellente, può essere avviato a freddo, il che significa che non appena l'idrazina colpisce un catalizzatore, si decompone e l'energia chimica viene rilasciata per azionare il motore. Lo svantaggio dell'idrazina: è tossica e cancerogena per l'uomo e l'ambiente. La manipolazione di queste sostanze richiede quindi un elevato livello di sicurezza, che a sua volta è molto costoso. Con i due progetti, i ricercatori della DLR stanno ora mostrando alternative meno inquinanti ma altrettanto efficienti. Felix Lauck e il Dr. Michele Negri hanno testato con successo il carburante verde "Hypergolic Ionic Propellant" (HIP_11) per la prima volta in una camera di combustione di prova sul banco di prova di ricerca M11 a Lampoldshausen. Il carburante è costituito da perossido di idrogeno (H2O2) come ossidante e da un liquido ionico (sale liquido) come carburante. A causa delle sue proprietà ipergoliche, il che significa che le sostanze prendono fuoco al contatto, HIP_11 ha il potenziale per sostituire la combinazione di carburante monometilidrazina e protossido di azoto che si è dimostrata valida nei motori degli stadi superiori. Questa capacità consente di risparmiare dispositivi di accensione complessi e consente più accensioni di un motore. "Vediamo quindi l'applicazione di HIP_11 nei sistemi di propulsione orbitale come grandi satelliti o veicoli spaziali," afferma Negri. "Una tale combinazione di carburante verde è particolarmente interessante per le missioni spaziali con equipaggio, poiché il potenziale di pericolo di HIP_11 è significativamente inferiore rispetto alle precedenti combinazioni di carburante".

Hot firing a 3D printed thrust chamber

Nell'immagine il test di un motore realizzato con parti stampate in 3D, presso il centro di Lampoldshausen, dell'agenzia spaziale tedesca. Credit: DLR

Inoltre, gli scienziati hanno testato per la prima volta con successo una camera di combustione di prova prodotta utilizzando un processo di stampa 3D con un carburante verde per razzi in un modo unico. "La visione olistica del design innovativo della camera di combustione e dei combustibili avanzati è al centro del nostro lavoro, che svolgiamo nell'ambito del progetto DLR Future Fuels," afferma il dott. Lukas Werling, capo del complesso del banco di prova M11. Il carburante verde per razzi "Idrocarburi miscelati con protossido di azoto" (HyNOx) utilizzato nei test è una miscela di protossido di azoto (N2O) come ossidante e etano (C2H6) o etene (C2H4) sviluppato da DLR come carburante. Con questo tipo di carburante, l'ossidante e il carburante vengono premiscelati e immagazzinati in un serbatoio come un monopropellente o utilizzati come un biproprellente convenzionale. Questo combina diversi vantaggi: le combinazioni di carburante HyNOx hanno un impulso specifico maggiore rispetto ai monopropellente convenzionali e sono quindi più efficienti. Ma non sono tossici e i componenti sono molto economici perché sono prodotti su larga scala industriale e sono disponibili in tutto il mondo. Il gas esilarante e l'etano hanno un'elevata pressione di vapore che viene utilizzata per pompare il carburante nella camera di combustione. Ciò elimina la necessità di pressione esterna sul serbatoio del carburante e riduce la complessità del sistema di trasmissione. Diverse possibilità di camere di combustione stampate in 3D sono ulteriormente esplorate. Nessun materiale della camera di combustione precedentemente utilizzato può resistere da solo a queste alte temperature di combustione. A tal fine, gli ingegneri DLR hanno ulteriormente sviluppato una camera di combustione prodotta in modo convenzionale: è stata creata una camera di combustione di prova stampata in 3D realizzata con materiale di rame a bassa lega (CuCr1Zr). Questo materiale ha un'elevata resistenza e un'ottima conduttività termica. Queste proprietà sono necessarie per produrre la camera di combustione per il carburante HyNOx, poiché anche la camera di combustione è raffreddata in modo rigenerativo. Il raffreddamento rigenerativo viene utilizzato per proteggere dal surriscaldamento. Parte del carburante scorre attraverso i canali nella parete della camera di combustione prima di essere iniettata nel motore. L'elevata conducibilità termica di CuCr1Zr viene utilizzata per dissipare le elevate temperature di combustione attraverso il combustibile alimentato nelle pareti della camera di combustione. Nel caso di camere di combustione realizzate con materiali convenzionali senza elevata conducibilità, la camera di combustione si fonderebbe a causa dell'elevato calore. “Sulla base dei test, i carichi termici e le efficienze di combustione sono stati analizzati e confrontati con le camere di combustione prodotte in modo convenzionale. La conoscenza acquisita viene utilizzata per progettare e costruire i motori futuri," riassume Werling. "In generale, le camere di combustione prodotte utilizzando il processo di stampa 3D sono adatte per l'uso con il carburante HyNOx verde." Nei processi di produzione orientati al futuro vengono quindi utilizzati anche con combustibili avanzati al fine di aumentare la densità di potenza della propulsione spaziale e ridurre significativamente i costi di produzione. Speriamo che queste soluzioni passino presto dai test ai veicoli spaziale veri e propri perché, se vogliamo avere un'espansione sostenibile dell'umanità nel Sistema Solare, non possiamo assolutamente tralasciare questi campi.