Inżynierowie od dawna szukają kompromisu między paliwem stałym a ciekłym. Badacze z kanadyjskiego Uniwersytetu Concordia proponują nietypowe rozwiązanie: żel na bazie nafty lotniczej zagęszczony lecytyną, czyli emulgatorem znanym z produktów spożywczych.

Dlaczego ani paliwo stałe, ani ciekłe nie jest idealne

Rakiety na paliwo stałe, takie jak boostery promów kosmicznych, są trwałe, stabilne i szybko się zapalają. Mają jednak poważną wadę: nie da się ich wyłączyć, bo paliwo musi się wypalić w całości.

Silniki na paliwo ciekłe są znacznie bardziej elastyczne. Można regulować ich ciąg i uruchamiać je wielokrotnie. Problemem jest za to chlupotanie cieczy w zbiornikach, szczególnie w stanie nieważkości. Może ono prowadzić do powstawania pęcherzy pary, które grożą uszkodzeniem turbopompy. Do tego ciecze z czasem parują lub przeciekają, co utrudnia długie, wieloletnie misje w Układzie Słonecznym.

Teoretycznym rozwiązaniem są żele: w zbiorniku zachowują się jak ciało stałe, a po wtłoczeniu do komory spalania mogą płynąć jak ciecz. W praktyce miewają jednak kłopoty z trwałością i ze zmianami właściwości pod wpływem temperatury.

Jak działa żel z lecytyną

Autorzy pracy, Pranay Mudaliar i Jerin John, opublikowali wyniki w czasopiśmie „Langmuir”. Lecytyna, używana m.in. w czekoladzie i sosach sałatkowych, pełni tu rolę organicznego środka żelującego. Po dodaniu śladowej ilości chlorku wapnia jej cząsteczki układają się w mikroskopijne struktury przypominające robaki, zwane micelami. Tworzą one niewidoczną trójwymiarową siatkę, która unieruchamia cząsteczki nafty.

Ważne jest też to, że lecytyna jest związkiem organicznym złożonym z węgla i wodoru, więc spala się razem z paliwem. Wiele wcześniej stosowanych zagęstników nie pali się i stanowi zbędny balast.

Kluczowe jest zjawisko rozrzedzania ścinaniem. W spoczynku żel trzyma kształt jak galaretka, więc nie chlupocze. Pod wpływem nacisku, na przykład przy zwiększaniu ciśnienia w przewodach paliwowych, siatka micel się rozpada, a żel chwilowo staje się cieczą. Według pomiarów lepkość spada ponad 100-krotnie, dzięki czemu paliwo można pompować i rozpylać przez dysze wtryskowe. Gdy nacisk ustaje, materiał wraca do postaci żelu.

• Ogrzanie do 59–68°C również powoduje upłynnienie żelu.
• Niewielka ilość etanolu daje podobny efekt.
• Przezroczystość pozwala badać strukturę i sposób rozpylania za pomocą szybkich kamer i laserów.
• Trwałość: żel w zbiorniku pozostał stabilny ponad rok, bez widocznego rozwarstwienia.

Daleko jeszcze do startu

Na razie to wyniki laboratoryjne. Paliwa nie sprawdzono w wysokociśnieniowych wtryskiwaczach, jakich używa się w prawdziwych silnikach rakietowych. Nie wiadomo też, czy wytrzyma drgania i szoki termiczne towarzyszące startowi w kosmos. Autorzy opisują je jako obiecujące rozwiązanie dla przyszłych misji, ale droga od ławy laboratoryjnej do wyrzutni jest jeszcze długa.

Co to oznacza w praktyce

Dla czytelnika w Polsce to przede wszystkim ciekawostka z pogranicza chemii i technologii kosmicznych. Badania prowadzono w Kanadzie i nic nie wskazuje, by miały bezpośredni wpływ na polskie programy czy przepisy. Wynik pokazuje jednak, że do trudnych problemów inżynierskich czasem pasują zaskakująco proste, tanie i powszechnie dostępne składniki.

Europejski sektor kosmiczny, w tym firmy i instytuty z polskim udziałem, także zajmuje się napędami, więc podobne pomysły mogą być śledzone również tutaj. Na razie jest to jednak etap podstawowych badań, a nie technologia gotowa do zastosowania.

Źródło: Phys.org – „A common food emulsifier could solve one of rocketry’s oldest fuel problems”