漂白剤はロケット燃料としては安全ですか?新しい3Dプリント触媒ベッドがヒドラジン代替燃料の開発に貢献

2022年2月22日、アンタークティックベアは、ニュージーランドのクライストチャーチにあるカンタベリー大学の工学博士であるサイモン・リード氏が現在、濃縮過酸化水素（漂白剤）を非毒性のロケット燃料に効率的に変換でき、低推力から中推力の打ち上げロケットで使用されることが期待される、3Dプリントされたセラミックベースの触媒デバイスを研究していることを知りました。
彼は現在、地元の打ち上げ会社ドーン・エアロスペースと協力してテストを実施しているとみられる。
△3Dプリントされたセラミックベースの触媒ベッドは、過酸化水素をロケットの推進剤として使用できるガスに変換することができます。画像提供：カンタベリー大学。
より安全な推進剤を求めて<br /> ヒドラジンは 19 世紀後半に初めて開発され、現在でも航空宇宙分野でロケットの推進剤として広く使用されています。しかし、この物質は衛星を軌道に乗せるのに必要なロケットの燃料として非常に効率的な手段である一方、乾燥すると不安定になり、人体に対して非常に有毒であるため、現在では発がん性物質の疑いがある。
リード氏によると、ヒドラジンの取り扱いには、使用中に必要な安全装置や手順など、特別な注意が必要であるため、ヒドラジンの使用コストも高くなるため、より安全で低コストの代替推進剤が必要であるという。興味深いことに、エンジニアが代わりに選んだのは過酸化水素でした。これは髪の漂白や傷の洗浄によく使用され、接触しても軽い刺激しか引き起こさない製品です。
リード氏は、家庭用漂白剤を推進剤に組み込むには、それをガスに分解する触媒（通常は貴金属で作られる）が必要だと述べた。その後の研究では、過酸化水素を通すと効果的に化学変化を引き起こす触媒でコーティングされたセラミックデバイスを3Dプリントしました。アンタークティック・ベアは、触媒床としてセラミックを使用することを選択した理由は、そのコストが銀やプラチナよりもはるかに低いためではないかと推測しています。
「液体の過酸化水素が触媒層を通過すると、分解反応が加速されます」とリード氏は説明した。「この反応により分子が分解され、水と酸素に変わります。この分子の分解により大量のエネルギーと熱が発生します。熱によって水が蒸発し、高温のガスが生成され、それがノズルを通過して推進力を生み出します。」
△カンタベリー大学の博士課程の学生、サイモン・リード氏と彼が作成した 3D プリント触媒ベッド。画像提供：カンタベリー大学。
漂白剤をロケット燃料として使う<br /> 現在、博士課程を始めて3年半が経ち、リード氏は3Dプリントした漂白剤変換触媒床の設計を完成させることを目指している。具体的には、エンジニアは、触媒床からの触媒損失を制限しながら過酸化水素生成の推進力を最大化し、装置のすべてのコンポーネントを可能な限り軽量かつ商業的に競争力のあるものにすることを目指しました。
これを実現するために、リードはニュージーランドの政府支援を受けたキャラハン・イノベーション・ファシリティと協力し、特性が改善された他の触媒材料を使用してデバイスの形状を3Dプリントし、スラスタの性能を向上させました。
博士課程の学生が触媒変換の最適化に関して特に有望だと考えたアプローチの 1 つは、ジャイロスコープの形をした触媒床を 3D プリントすることであり、これは従来の製造方法では不可能です。そうすることで、最新の設計は触媒の損失を最小限に抑え、大きな圧力低下を回避し、推力と燃料濃度のバランスを改善できるため、以前の設計よりもアップグレードされたものになるとリード氏は考えています。
今後、大学院生は、改良した触媒床の有効性をテストし、その結果を以前の設計と比較することを計画しています。具体的には、再利用可能なスペースシャトルの燃料として過酸化水素を使用しているプロジェクトパートナーのドーン・エアロスペース社と協力し、過酸化水素をより効率的にリサイクルできる触媒を見つけるつもりだ。
リード氏は次のように結論づけた。「実際、1960 年代初頭には、一部の航空会社が推進剤として過酸化水素の使用を試みましたが、当時の触媒装置は比較的初歩的なもので、実現には至りませんでした。現在、ロケット燃料として過酸化水素を真剣に検討している企業はわずか数社です。できれば、ヒドラジンの代わりに過酸化水素を使用できる、より効率的な触媒を設計し、航空宇宙産業の安全係数の向上に貢献できればと思います。」
△DawnAerospace社のMk II Aurora過酸化水素燃料スペースシャトル。画像提供：Dawn Aerospace。
3D プリントされたロケット推進剤の可能性<br /> 付加製造には、先進的な推進システムの製造だけでなく、これらのシステムに動力を供給する燃料の製造においても、世界中のロケット製造業者のニーズに応える強力な新素材を生み出す力があります。その最も顕著な例の一つがロケット・ラボだ。同社は昨年41億ドルのSPAC合併で株式を公開し、ロケットのラザフォードエンジンを動かす燃料を印刷していると言われている。
2020年後半には、Firehawk Aerospace社も、独自の付加製造推進システムの研究開発活動のために200万ドルを調達しました。同社の3Dプリント固体燃料棒は、衛星打ち上げエンジンに、より安全で信頼性が高く、低コストの推進剤を提供するために設計された燃料で駆動され、当時としては新しいレベルの性能を提供すると言われていた。
同様に、オーストラリアのジェームズ・クック大学の科学者らは、同様のプロジェクトで、ハイブリッドロケットエンジンに動力を与える燃料粒子を3Dプリントすることを以前に提案している。商業宇宙打ち上げの急速な増加に対応して、チームが開発した商業用ポリマー統合ロケット燃料は、低地球軌道（LEO）に機器を打ち上げる便利な手段としてのテストで大きな可能性を示しました。

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