Développé dans le cadre du programme Hyper-X de la NASA, le véhicule de recherche hypersonique X-43A est entré dans l'histoire de l'aviation en 2004, atteindre des vitesses supérieures à Mach 9,6 ou supérieures à 10, 000km/h. Crédit :NASA
Des catalyseurs imprimés en 3D ultra-efficaces pourraient aider à résoudre le défi de la surchauffe dans les avions hypersoniques et offrir une solution révolutionnaire à la gestion thermique dans d'innombrables industries.
Développé par des chercheurs du RMIT, les catalyseurs très polyvalents sont économiques à fabriquer et simples à mettre à l'échelle.
Les démonstrations en laboratoire de l'équipe montrent que les catalyseurs imprimés en 3D pourraient potentiellement être utilisés pour alimenter un vol hypersonique tout en refroidissant simultanément le système.
La recherche est publiée dans le journal de la Royal Society of Chemistry, Communications chimiques .
Le chercheur principal, le Dr Selvakannan Periasamy, a déclaré que leurs travaux s'attaquaient à l'un des plus grands défis du développement des avions hypersoniques :contrôler la chaleur incroyable qui s'accumule lorsque les avions volent à plus de cinq fois la vitesse du son.
"Nos tests en laboratoire montrent que les catalyseurs imprimés en 3D que nous avons développés sont très prometteurs pour alimenter l'avenir du vol hypersonique, " a déclaré Periasamy.
« Puissant et efficace, ils offrent une solution potentielle intéressante pour la gestion thermique dans l'aviation et au-delà.
"Avec le développement ultérieur, nous espérons que cette nouvelle génération de catalyseurs imprimés en 3D ultra-efficaces pourra être utilisée pour transformer tout processus industriel où la surchauffe est un défi omniprésent."
Besoin de vitesse
Seuls quelques avions expérimentaux ont atteint une vitesse hypersonique (définie comme ci-dessus Mach 5 - plus de 6, 100 km par heure ou 1,7 km par seconde).
En théorie, un avion hypersonique pourrait voyager de Londres à Sydney en quatre heures mais de nombreux défis demeurent dans le développement du transport aérien hypersonique, comme les niveaux de chaleur extrême.
Premier auteur et Ph.D. La chercheuse Roxanne Hubesch a déclaré que l'utilisation de carburant comme liquide de refroidissement était l'une des approches expérimentales les plus prometteuses du problème de surchauffe.
"Les carburants qui peuvent absorber la chaleur tout en propulsant un avion sont un objectif clé pour les scientifiques, mais cette idée repose sur des réactions chimiques consommatrices de chaleur qui nécessitent des catalyseurs très efficaces, ", a déclaré Hubesch.
"En outre, les échangeurs de chaleur où le combustible entre en contact avec les catalyseurs doivent être les plus petits possible, en raison des contraintes strictes de volume et de poids dans les avions hypersoniques."
Pour fabriquer les nouveaux catalyseurs, l'équipe a imprimé en 3D de minuscules échangeurs de chaleur en alliages métalliques et les a recouverts de minéraux synthétiques appelés zéolites.
Les chercheurs ont reproduit à l'échelle du laboratoire les températures et les pressions extrêmes subies par le carburant à des vitesses hypersoniques, pour tester la fonctionnalité de leur conception.
Une gamme de conceptions expérimentales pour les catalyseurs imprimés en 3D. Crédit :Université RMIT
Réacteurs chimiques miniatures
Lorsque les structures imprimées en 3D chauffent, une partie du métal se déplace dans la charpente de la zéolite, un processus crucial pour l'efficacité sans précédent des nouveaux catalyseurs.
"Nos catalyseurs imprimés en 3D sont comme des réacteurs chimiques miniatures et ce qui les rend si incroyablement efficaces, c'est ce mélange de métaux et de minéraux synthétiques, ", a déclaré Hubesch.
"C'est une nouvelle direction passionnante pour la catalyse, mais nous avons besoin de plus de recherches pour bien comprendre ce processus et identifier la meilleure combinaison d'alliages métalliques pour le plus grand impact."
Les prochaines étapes pour l'équipe de recherche du Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry (CAMIC) du RMIT incluent l'optimisation des catalyseurs imprimés en 3D en les étudiant avec des techniques de synchrotron à rayons X et d'autres méthodes d'analyse approfondie.
Les chercheurs espèrent également étendre les applications potentielles des travaux au contrôle de la pollution de l'air pour les véhicules et les appareils miniatures afin d'améliorer la qualité de l'air intérieur, ce qui est particulièrement important dans la gestion des virus respiratoires aéroportés comme COVID-19.
Directeur CAMIC, Distingué professeur Suresh Bhargava, a déclaré que l'industrie chimique d'un billion de dollars était en grande partie basée sur l'ancienne technologie catalytique.
"Cette troisième génération de catalyse peut être associée à l'impression 3D pour créer de nouveaux designs complexes qui n'étaient pas possibles auparavant, " dit Bhargava.
"Nos nouveaux catalyseurs imprimés en 3D représentent une nouvelle approche radicale qui a un réel potentiel pour révolutionner l'avenir de la catalyse dans le monde."
Les catalyseurs imprimés en 3D ont été produits à l'aide de la technologie Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) dans l'installation de fabrication numérique, partie de la zone de fabrication avancée de RMIT.
Bhargava et le distingué professeur Milan Brandt, directeur du Digital Manufacturing Facility, conceptualisé l'idée de catalyseurs imprimés en 3D et de conception de réacteurs chimiques.
Co-auteur de l'étude, le Dr Maciej Mazur, du RMIT Center for Additive Manufacturing, a déclaré que le travail était un bon exemple d'innovation rendue possible grâce à une collaboration interdisciplinaire.
"La combinaison de la fabrication additive avec les sciences chimiques a produit des résultats révolutionnaires, ", a déclaré Mazur.
"Zeolites on 3D-Printed Open Metal Framework Structure:Metal migration into zeolite promu catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicle" est publié dans Communications chimiques .
