極超音速飛行用の冷却装置を提供するために、科学者は3Dプリント技術を使用して高効率熱交換器を開発しています。

2021年9月9日、アンタークティックベアは、オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学の研究者が、極超音速飛行における最大の問題の1つを解決する鍵となる可能性のある、新世代の3Dプリント冷却装置を開発したことを知りました。
いわゆる3Dプリント冷却触媒は、本質的にはゼオライトと呼ばれる合成鉱物でコーティングされた金属熱交換器です。印刷コスト効率が高く、拡張が容易で、周囲の温度を制御するために冷却剤としてジェット燃料を使用します。研究チームは、この進歩により、極超音速飛行などの高温用途における過熱問題を解決できる可能性があると考えている。
この研究の主任研究者であるセルバカンナン・ペリアサミー博士は、次のように語っています。「実験室でのテストにより、私たちが開発した 3D プリント触媒は、将来の極超音速飛行の燃料として大きな可能性を秘めていることが分かりました。この触媒は強力かつ効率的で、航空やその他の分野で熱管理の魅力的な潜在的ソリューションを提供します。さらに開発を進めれば、この新世代の超効率的な 3D プリント触媒が、過剰な熱の発生という産業上の課題を変革するために活用できると期待しています。」
△一連の 3D プリント触媒の実験設計。写真提供：RMIT大学
温度制御の問題<br /> 極超音速飛行はマッハ5（音速の5倍）、つまり時速6,500キロメートルを超える速度として定義されます。最高速度で飛行すれば、極超音速航空機は理論上はヨーロッパからオーストラリアまで3時間で飛行できる。残念ながら、マッハ 5 に到達した実験機はほんの一握りしかなく、これはいくつかの技術的課題によって非常に困難になっているためです。最大の障害の一つは、このような速度で飛行すると極度の熱が発生するため、飛行機を冷却しておくことだ。
研究の共著者であるロクサーヌ・フーベッシュ氏によると、燃料を冷却剤として再利用することが過熱問題に対処する最も有望な方法の一つだという。
「航空機に動力を与えながら熱を吸収できる燃料は科学者の注目点だが、このアイデアは効率的な触媒を必要とする熱を消費する化学反応に依存している」と彼女は付け加えた。
極超音速航空機部品のサイズと質量の制約により、触媒は可能な限り小さくする必要があります。そこでチームは SLM 3D プリントを使用して熱交換器を作成し、それをゼオライトでコーティングして、最終的な使用可能な触媒に変えました。
△ NASA の Hyper-X プログラムの一環として、X-43A 極超音速研究機は 2004 年にマッハ 9.6 を超える速度に達しました。画像提供：NASA
小規模化学反応炉<br /> では、これらの触媒は具体的にどのように機能するのでしょうか? 3D プリントされた構造が加熱されると、ベース金属材料の一部がゼオライトコーティングに浸透します。これにより、印刷された構造を流れる燃料が吸熱反応を起こし、その過程で周囲が冷却されます。研究者たちは、実験室でシミュレーションされた温度と圧力を使用して印刷された触媒の機能をテストしたところ、前例のない効率があることを発見しました。
△触媒反応のメカニズム
「当社の 3D プリント触媒は小型の化学反応器のように機能し、金属と合成鉱物を驚くほど効率的に組み合わせます」と Hubesch 氏は説明します。「これは触媒における刺激的な新しい方向性ですが、プロセスを完全に理解し、最良の結果を得るために最適な金属合金の組み合わせを決定するには、さらなる研究が必要です。」
今後の研究で、RMIT チームは、X 線シンクロトロン放射技術やその他の高度な分析方法を活用して、3D プリントされた触媒を最適化する予定です。彼らは、この技術の潜在的な応用範囲が、車両内の大気汚染制御や屋内空間の空気品質装置にまで広がることを期待している。
RMIT先端材料・工業化学センター所長のスレシュ・バーガヴァ氏は次のように語った。「この第3世代触媒技術は3Dプリントと連携して、これまでは不可能だった新しい複雑なデザインを作り出すことができます。当社の新しい3Dプリント触媒は、世界中の触媒の未来に革命を起こす可能性を秘めた、根本的に新しいアプローチです。」
研究の詳細は、「3D プリントされたオープンメタルフレームワーク構造上のゼオライト: ゼオライトへの金属移動により、飛行体用吸熱燃料の接触分解が促進される」と題された論文に記載されています。 Suresh Bhargava、Roxanne Hubesch、Selvakannan Periasamyらが共著しました。
関連論文リンク: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/CC/D1CC04246G

自動冷却: 3D プリントのアプリケーション
3D プリント技術のよりニッチな応用としては、自動冷却装置があります。先月、米国の研究チームが 3D プリント技術を使用して、熱特性と電磁特性を変更できる、高度に構成可能な新しいメタマテリアルを作成しました。このメタマテリアルは再構成可能であるため多用途であり、マイクロプロセッサ、航空機、建物のアクティブ冷却への応用が期待されています。
一方、3Dプリンターメーカーの3D Systemsは、欧州原子核研究機構（CERN）と提携し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の冷却部品を3Dプリントしたことがある。具体的には、パートナーは DMP Flex 350 PBF システムを使用して、従来の方法では製造不可能な粒子検出実験用のカスタムチタン合金冷却ロッドのセットを印刷しました。

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