Une nouvelle génération de propergols pour fusées pour l'exploration spatiale lointaine tels que les propergols liquides ioniques à longue endurance et à haute stabilité, attirent beaucoup d'attention. Cependant, les propergols liquides ioniques sont fortement limités par leur réactivité hypergolique (allumage spontanée) insuffisante entre le carburant et le comburant, où ce défaut peut provoquer un épuisement local et des explosions accidentelles lors du lancement de la fusée. Dans un nouveau rapport, Wen-Li Yuan et une équipe de recherche en chimie de l'Université du Sichuan en Chine et de l'Université de l'Idaho aux États-Unis ont proposé un modèle visuel pour démontrer les caractéristiques des propulseurs afin d'estimer leurs performances et leurs applications. Le génome des matériaux et le modèle de visualisation des propulseurs ont considérablement amélioré l'efficacité et la qualité du développement de propulseurs performants avec des applications pour découvrir de nouvelles molécules fonctionnelles avancées dans le domaine des matériaux énergétiques. L'ouvrage est maintenant publié dans Avancées scientifiques .

L'exploration spatiale et la méthode du génome des matériaux.

Une stratégie récente de découverte de nouveaux matériaux présente une méthode basée sur « les génomes des matériaux, " qui s'appuie sur l'analyse des mégadonnées des structures et des propriétés des matériaux cibles pour découvrir de nouveaux matériaux. Les chercheurs visent à construire des programmes d'intelligence artificielle et de criblage pour analyser un grand nombre de structures possibles dans un court laps de temps à l'aide de la méthode. Yuan et al. ont appliqué la méthode. la méthode du génome des matériaux dans ce travail pour prédire l'additif hypergolique le plus probable. Les humains ont toujours été fascinés par l'exploration spatiale et ont envisagé de voyager dans l'espace-temps, même si les limites technologiques ont retenu cette ambition pendant des milliers d'années. Maintenant, des engins spatiaux hautes performances sont en cours de développement avec des technologies modernes pour réaliser une navigation spatiale habitée et non habitée en orbite terrestre basse et à travers notre système solaire.

L'énergie chimique libérée par un propulseur (carburant pour fusée) constitue la source d'alimentation des fusées et des engins spatiaux, et peut déterminer la plage d'altitude et la durée de vie d'un engin spatial. Les exemples incluent la fusée Atlas-Centaur à base de dihydrogène liquide et de carburant oxygène, à destination de Mars et de Vénus, ainsi que la fusée Longue Marche 3B contenant de l'UDMH (diméthylhydrazine asymétrique)/tétroxyde de diazote vers la Lune. Cependant, ces propulseurs ou carburants de fusée hautes performances sont limités par une toxicité et une décomposition élevées, parallèlement à leur existence stable uniquement à des températures extrêmement basses. Le besoin d'une méthode efficace et systématique pour concevoir des additifs hypergoliques performants existe donc. La méthode du génome des matériaux peut réduire la période d'investigation requise pour développer de tels nouveaux matériaux.

Mise en place d'une base de données du génome des matériaux hypergoliques

Pour établir une base de données du génome des matériaux hypergoliques, l'équipe a identifié les structures clés des composés hypergoliques et a exploré leurs relations structure-activité. Une réaction hypergolique est une réaction redox exothermique (c. combustion) où les composants peuvent s'enflammer spontanément au contact d'une chambre de combustion de fusée. De tels composés sont généralement constitués d'éléments générateurs de gaz tels que le carbone et l'azote. Tout comme la relation entre le gène et sa paire de bases, l'hydrogène divers (H), carbone (C), l'azote (N) et d'autres éléments constituent une série de groupes fonctionnels hypergoliques et de cadres pour générer des composés hypergoliques en tant que propulseurs de fusée appropriés. Les matériaux devaient avoir un temps de retard à l'allumage, une enthalpie de combustion élevée et une impulsion spécifique élevée pour déterminer la capacité totale de charge utile énergétique des fusées. Les additifs propulseurs doivent également être stables et compatibles. Sur la base de ces exigences, Yuan et al. a fourni une méthode directe pour identifier les structures clés des additifs hypergoliques à partir de la composition élémentaire de leurs structures fonctionnelles.

Propulseurs énergétiques riches en azote et en carbone

Les propulseurs énergétiques riches en azote peuvent augmenter l'énergie au-delà des carburants traditionnels pour améliorer l'impulsion spécifique des carburants de fusée. En utilisant la littérature existante, les chercheurs ont découvert la relation entre plus de 1000 propulseurs et leurs mélanges pour comprendre le lien entre leur composition élémentaire et leurs propriétés de décomposition thermique. Les propulseurs contenant 30 à 50 pour cent d'azote présentaient la stabilité thermique la plus élevée avec des températures de décomposition supérieures à 200 degrés Celsius. Les chercheurs ont déduit une teneur en azote appropriée pour répondre aux exigences spécifiques et à la stabilité thermique des propergols hautes performances. La teneur en élément carbone a également généré des quantités substantielles de chaleur de combustion et de dioxyde de carbone gazeux nécessaires à la propulsion de l'engin spatial pour fournir une énergie chimique suffisante pour surmonter la gravité. Basé sur l'enthalpie de combustion entre le carbone et l'azote, l'enthalpie de combustion du propergol était positivement liée à la teneur en carbone. Pour concevoir les propulseurs, l'équipe a combiné les limites des éléments azotés dans les propergols avec une teneur en carbone admissible la plus élevée pour obtenir les meilleures performances pour l'impulsion spécifique et l'enthalpie de combustion.

Composition structurale et analyse quantique

La composition structurelle était une autre caractéristique clé des propulseurs haute performance pour déterminer leur stabilité, comportement au feu et toxicité biologique. Les liquides ioniques composés de cations et d'anions ont des avantages uniques de miscibilité, volatilité, hypotoxicité et stabilité thermique pour réduire considérablement le risque d'exposition de l'opérateur aux aérosols et à la déflagration. À l'aide d'une méthode de dépistage, Yuan et al. a fourni des conseils de base pour concevoir et identifier rapidement les composés cibles et a pris en compte d'autres indicateurs importants, y compris la réactivité et la densité hypergoliques, pour sélectionner la meilleure structure de performance.

L'équipe a ensuite effectué une analyse quantique en étudiant la théorie des orbitales moléculaires (MO) des anions comme critère pour déterminer l'hypergolicité et a testé 15 anions, dont les liquides ioniques (1-méthylhydrazinyl)tétrazolate (MHT) répondaient à toutes les exigences des additifs hypergoliques. La base de données du génome et le processus de criblage étaient donc terminés. Yuan et al. ensuite étudié la structure et les propriétés physico-chimiques des liquides ioniques MHT, y compris la densité, stabilité thermique et propriétés de détonation. Incidemment, le carburant MHT à base de cation 1-butyl-3-méthylimidazolium (Bmim+) avait la température de décomposition thermique la plus élevée, au-delà de 200 degrés Celsius, qui était sûr dans des conditions extrêmes dans l'espace. L'équipe a également testé deux autres propulseurs à base de (Bmim+), notamment le dicyanamide à base de Bmim (BmimDCA) et les liquides ioniques Bmim 5-aminotétrazole (BmimAT).

Perspectives — propulseurs haute performance

Étant donné que la toxicité était un problème grave dans les propulseurs, l'équipe a testé les toxicités des liquides ioniques à l'aide d'une bactérie Vibrio fischeri qui peut déterminer l'acceptabilité environnementale et le paramètre toxicologique des matériaux. Les liquides ioniques combinés BmimMHT/BmimDCA étaient avantageux en tant que propulseurs verts par rapport aux carburants traditionnels. Le liquide ionique DCA était plus unique par rapport à la toxicité, stabilité et volatilité. Sur la base des directives de la méthode du génome matériel des propulseurs, Yuan et al. combiné le liquide ionique DCA avec BmimMHT, pour compenser le comportement hypergolique insuffisant du DCA.

De cette façon, Wen-Li Yuan et ses collègues ont conçu une famille de propulseurs haute performance jusque-là non réalisée en utilisant la méthode du génome des matériaux propulseurs. Le liquide ionique MHT a résolu avec succès le comportement d'inflammation des liquides ioniques DCA. La stratégie de conception a résumé la relation structure-activité des propergols combinée à la stabilité, hypergolicité et toxicité dans une première méthode de génome de matériaux intégrée dans le domaine des propulseurs. L'approche du génome guidera et favorisera la conception moléculaire et l'application de nouveaux matériaux pour développer de nouveaux propulseurs haute performance.

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