ENERGIJA

Dr Vladica Božić

Razvoj raketnih goriva

Smanjivanje uticaja na životnu sredinu

Svemirska sonda-lender Morfeus koja za pogon koristi tečni vodonik i tečni kiseonik

Zbog sve većeg zagađenja životne sredine i posledica koje to izaziva na ljudsko zdravlje, zbog materija koje se koriste na sve strane i u gotovo svim ljudskim delatnostima, pojavio se zahtev da se ne zagađuje okolina. Da li neka materija zagađuje životnu sredinu, utvrđuje se tek nakon temeljnog ispitivanja njene toksičnosti. Za pogon svemirskih letelica se najčešće koriste hemijska raketna goriva koja, pri sagorevanju u raketnim motorima, stvaraju gasove i nešto čvrstih materija različitog sastava, u zavisnosti od sastava samog raketnog goriva. Različita raketna goriva utiču na okolinu na različite načine.

Pogonski sistem rakete može biti tečni, čvrsti ili hibridni u zavisnosti od toga da li se raketno gorivo sastoji iz čvrstih ili tečnih gorivnih materija i oksidatora. Kod tečnog pogona kerozin (ugljovodonično avionsko gorivo) verovatno najviše zagađuje životnu sredinu, jer pri sagorevanju emituju ugljen dioksid (CO2) koji je jedan od gasova koji izazivaju efekat staklene bašte i čađ kao čvrsti produkat sagorevanja. Raketni motori koji koriste hidrazin (N2H4) kao gorivnu materiju i azot tetroksid (N2O4) kao oksidator (ova kombinacija se naziva „hipergolna” jer su ove materije tako reaktivne da se spontano upale pri međusobnom kontaktu) emituju velike količine azotnih oksida, koji u atmosferi mogu dalje reagovati sa vodenom parom i sulfatom pa se formiraju male čestice koje sadrže azotnu kiselinu (HNO3).

Isparljivi i veoma otrovni

Hidrazin je veoma toksična, isparljiva i karcinogena tečna materija koja se, u raketnim motorima, može koristiti i samostalno za pogon (jednobazno tečno gorivo-monopropelant) jer može da oslobađa energiju i vruće gasove egzotermnom hemijskom razgradnjom, bez prisustva oksidatora. U tom slučaju, razlaganje se dešava u dve faze: u prvoj se hidrazin katalitički razlaže u vodonik i amonijak u egzotermalnoj reakciji, a u drugoj se amonijak dalje razlaže u vodonik i azot u endotermalnoj reakciji zbog visoke temperature generisane u prvoj fazi.
Azot monoksid (NO) koji se emituje može direktno da reaguje sa ozonom. Kombinacija tečnog vodonika (LH2) kao gorivne materije i tečnog kiseonika (LOx) kao oksidatora ima najčistije produkte sagorevanja, jer se emituju uglavnom vodena para (H2O) i mala količina različitih azotnih oksida (NOx). Ova kombinacija se naziva „kriogena” jer zahteva njihovo odvojeno skladištenje, na ekstremno niskim temperaturama, da bi bili u tečnom stanju jer su zajedno nestabilni. Ovo zahteva složeni sistem sa odvojenim rezervoarima i sistemima za njihov dovod u motor (vodovi i ventili) pod pritiskom. Generalno, tečni pogon emituje kao produkte sagorevanja materije koje su potencijalno opasne po životnu sredinu, jer izazivaju povećano zagađenje zemljine površine, atmosfere kao i oštećenje ozonskog omotača.
Pogonski sistem koji se naziva hibridni najčešće predstavlja mešavinu tečnog oksidatora-azotnog oksida (N2O) i čvrste gorivne materije (kao što su butadienski polimeri), koje kada sagorevaju u okolini koja je siromašna kiseonikom (kao što su gornji slojevi atmosfere) emituje ugljen dioksid i velike količine čađi i azotnih oksida, koje takođe izazivaju zagađenje atmosfere i oštećenje ozonskog omotača.

Muke sa „arijanom“

Kod velikih raketa sa čvrstim pogonom, koje se koriste za lansiranje svemirskih letelica, uobičajno se koristi kombinacija amonijum perhlorata (NH4ClO4) kao oksidatora sa aluminijumom (Al) kao metalnim gorivom. Oni se mešaju sa polimernim vezivom (koja je istovremeno i gorivna materija) kao što je polibutadijen sa hidroksilnim završetkom (HTPB) da bi se dobilo čvrsto pogonsko punjenje. Pri sagorevanju ovih materija u raketnom motoru, uz druge produkte, nastaju gasoviti hlor i hlorovodonik (HCl), i fine čestice aluminijum oksida (Al2O3) koje se ispuštaju iz mlaznika u okolinu. Hlorovodonik se lako pretvara u hlorovodoničnu kiselinu koja, sa česticama aluminijum oksida i aluminijum hlorida, pored toga što izaziva reakciju koja uništava ozon - štetno utiče i na okolinu oko lansirne rampe. Procena je da svako lansiranje rakete „ariana 5“ emituje 270 tona koncentrovane hlorovodonične kiseline u atmosferu, koja pada na tlo i dovodi do kontaminacije u izvorima vode u okolini lansirne rampe izazivajući promene pH vrednosti. Korišćenje ove vode za piće može izazvati smetnje na štitnoj žlezdi kod čoveka. Pored toga, i fine čestice aluminijum-oksida imaju štetan uticaj na ljudski organizam.

U susret „zelenom raketnom gorivu“

Ukupne emisije iz svih raketa menjaju prirodnu količinu supstanci u stratosferi, što izaziva određene promene u ozonskom omotaču. Trenutna procena je da rakete lansirane širom sveta, svake godine, u atmosferu ubacuju око 11.000 tona čestica čađi i aluminijumoksida, što dovodi da je manje od 0,1% stratosferskog ozona uništeno raketama. Ovo se smatra zanemarljivim uticajem na životnu sredinu na globalnom nivou u odnosu na druge izvore zagađenja, tako da u ovom trenutku nisu potrebne hitne akcije kao što su ograničavanje broja letova ili upotreba alternativnih raketnih goriva. Ali pošto se očekuje da će taj uticaj rasti kako se broj lansiranja velikih raketa bude povećavao, dugoročno je potrebno razvijati nove raketne pogonske materije čiji će produkti sagorevanja manje oštećivati stratosferski ozon, manje doprinositi globalnom zagrevanju i smanjenju kvaliteta vazduha i tako predstavljati manji rizik za ljudsko zdravlje i životnu sredinu. Zbog toga koncept „zelenih raketnih goriva” za vojne i svemirske primene sve više dobija na značaju.
Razvoj čvrstog raketnog goriva bez emisije hlorovodonika i finih čestica.
Da bi se dobila „zelena” čvrsta raketna goriva, potrebno je da se iz produkata sagorevanja pre svega eliminišu gasoviti hlorovodonik u nižim slojevima atmosfere (blizu tla) i čestice aluminijum-oksida u višim slojevima atmosfere. Ovo prvo bi zahtevalo upotrebu oksidatora bez hlorida u svom sastavu; ali, na žalost, postoji vrlo malo takvih materija. Neke od njih kao što su amonijum-dinitramid-ADN), amonijum-nitrat (AN) i hidrazin-nitroformat (HNF) imaju potencijal da budu „zeleniji” oksidatori od amonijum-perhlorata, ali ne mogu u potpunosti da ga zamene u raketnim gorivima.

Malo za rakete, malo za đubriva

AN je veoma jeftin oksidator, koji se uglavnom koristi kao đubrivo u poljoprivredi. Pošto raketna goriva na bazi AN imaju loše energetske i posebno mehaničke karakteristike i malu brzinu sagorevanja, ona se uglavnom koriste tamo gde su potrebne niske performanse, kao što su generatori gasa. Sa druge strane, iako ADN i HNF imaju manji bilans kiseonika (teorijska količina kiseonika potrebna za kompletnu oksidaciju materije) i samim tim manju toplotu obrazovanja od AP, oba su visokoenergetski oksidatori. U odnosu na AP, ADN stvara više gasovitih produkata sagoravanja koji su topliji i lakši pa njegova goriva imaju veći specifični impuls, pri čemu gasoviti produkti sagorevanja ne sadrže hlorovodonik.

Teorijski proračuni i balistička ispitivanja goriva na bazi GAP/A1/HNF u eksperimentalnom motoru pokazala su da, pri istim uslovima, daju do 10% veći specifični impuls u odnosu na najbolja konvencionalna goriva na bazi HTPB/AL/AP. Međutim, nedostaci kao što su velika higroskopnost ADN-a i veća osetljivost HNF, naročito na mehaničke stimuluse kao što su šok, trenje i osetljivost na udar, ograničavaju njihovu primenu u raketnim gorivima. Dodatno, HNF je nekompatibilan sa do sada korišćenim vezivnim materijama jer dolazi do hipergolske reakcije između HNF i sredstava za očvršćavanje koja se koriste u vezivnim materijama čvrstih goriva kao što su HTPB i poliglicidilazid (GAP). Čvrsti visokoenergetski oksidanti, kao što su HNF ili ADN, postaju mnogo stabilniji kada se rastvaraju u vodi i/ili nižem alkanolu. Pri tome stvaraju tečni jednobazni (monopropelantni) sistem sa specifičnim impulsom koji može biti jednak onom kod uobičajenog jednobaznog goriva kao što je hidrazin.
Eliminacija emisije finih čestica iz produkata sagorevanja u „spoljnjem” svemiru može se postići izbacivanjem metalnog goriva iz postojećih sastava. Mešavina amonijum perhlorata i novog energetskog veziva na bazi poliglicidilazida ima skoro iste energetske karakteristike kao i tradicionalni sastavi goriva koje sadrži aluminijum. Poliglicidilazid u molekulu sadrži azido grupu (-N3) koja je visokoenergetska; kada se raspada, stvara izuzetno veliku toplotu emitujući azot (N2). Ova toplota je „izvor energije” za GAP, što mu omogućava da samostalno gori bez dovoda oksidatora, što je neuobičajeno za polimere. Zbog toga se može koristiti i sa gasovitim kiseonikom za hibridni pogon.

Razvoj potisnika koji koriste HAN goriva

Potisnik je reaktivni motor (propulzor) male snage koji se na svemirskim raketama-lanserima koristi povremeno i kratkotrajno, ili na satelitima u dugoročnim misijama koje traju do i preko 15 godina. Iako mali u poređenju sa raketnim motorima za pogon svemirskih lansera, potisnici su veoma važan pogonski sistem koji se koriste za dobijanje bočnih potisaka na raketama za podešavanje njenog položaja ili za kontrolu položaja satelita. Od potisnika se, do sada, za pogon najčešće koristio hidrazin ili njegovi derivati, koji su kancerogeni i stoga opasni za rukovanje. U potrazi za manje toksičnim materijalima koji imaju potencijal za poboljšanje performansi, širom sveta je testirano više jedinjenja, među kojima je i hidroksil-amonijum nitrata (HAN) sa formulom NH2OHNO3. Ova materija ima visoku temperaturu sagorevanja i brzinu gorenja, zbog čega se u motorima koristi njen rastvor u metanolu i/ili vodi da bi se dobio željeni opseg sagorevanja bez gubitaka energije. Ovaj rastvor, u poređenju sa hidrazinom, ima za 70% veći gustinski specifični impuls i znatno bolje osobine pri topljenju, što smanjuje potrošnju goriva pri istom potisku.

Japanska agencija za istraživanje svemira (JAXA) je, posle 20 godina razvoja, isprobala potisnik od 20N u svemiru, na satelitu koji je lansiran pomoću trostepene rakete “epsilon-4”, 18.januara 2019. godine. Potisnik kao gorivo koristi rastvor HAN-a u metanolu i vodi, uz dodatak AN, koji pri sagorevanju ne ispušta gasoviti HCl. Ispitivanja su pokazala da, iako je dobijen nešto manji potisak od očekivanog, potisnik sa ovim gorivom je uspešno promenio orbitu satelita. I Američka nacionalna aeronautička i svemirska administracija (NASA) je, u okviru demonstracionog projekta “Green Propellant Infusion Mission - PIM (Infuzijska misija sa zelenim gorivom), 25.juna 2019. godine lansirala satelit sa potisnicima koji kao gorivo takođe koriste rastvor HAN-a u metanolu. I ovi letni testovi su potvrdili da se ova materija može uspešno koristiti za pogon u potisnicima umesto toksičnog hidrazina, pri čemu neće imati štetan uticaj na okolinu.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"