Uzay itki sistemleri için katalizör geliştirme

Tek yakıtlı roket sistemleri, bir itki sistem yakıtının ekzotermik ayrışma reaksiyonu yoluyla yüksek basınçlı sıcak gazların bir kombinasyonunu üreterek çalışır. Daha sonra bu ürünler, istenen itkiyi sağlamak amacıyla daralan-genişleyen bir nozül boyunca hızlandırılır. Bu sistemler, 0.1 ile 500 N arasında itki üretebilir ve 250 s'ye kadar orta düzeyde bir özgül itki sağlar. Düşük itki gerektiren roket sistemleri ve uydu motorlarında monopropellant motorları tercih edilir. Bu termal ayrışma işlemi yüksek bir aktivasyon enerjisine sahiptir, bu da bileşiğin ortam sıcaklıklarında kendiliğinden ayrışmaması ve uygun şekilde ısıtılması gerektiği anlamına gelir. Özel bir katalizör, reaksiyonu hızlandırmak için aktivasyon eşiğini düşürebilir. Tek yakıt çeşiti olarak en çok hidrazin (N2H4) kullanılır çünkü Shell S405 katalizörünün başarılı geliştirilmesi, 237 s'lik bir özgül itki (Isp) değeri ile yüksek verimlilik sağlar. Ancak, kanserojen ve toksik yapısı nedeniyle taşınması ve kullanılması sorunlara yol açar. Bu nedenle, günümüzde yeşil alternatifler giderek daha fazla ilgi görmektedir. Daha düşük toksisiteleri ve güvenlik önlemleri sayesinde üretim, kullanım ve depolama maliyetleri azalır. Yeşil tek yakıtlar arasında en umut verici seçeneklerden biri, yüksek konsantrasyonlu hidrojen peroksittir (H2O2). Yüksek konsantrasyonlu hidrojen peroksit, hidrazine göre daha düşük bir Isp değerine sahip olmasına (179s) rağmen, çevre dostudur çünkü ayrışma reaksiyonu ürünleri oksijen ve su buharıdır. Uygun bir katalizörün ve güvenilir bir sistemin geliştirilmesi, yeşil tek yakıtların katalitik ayrışmasının önemli parametreleridir. Bu tezin temel amacı, etkili ve güvenilir tek yakıtlı iticinin kullanılabilirliğini göstermektir. Kimyasal bir yaklaşım olarak katalizörün destek malzemesi ve aktif maddesinin önemi incelenmiş, özellikleri karakterizasyon teknikleri ve reaksiyon kinetik deneyleri ile analiz edilmiştir. Daha sonra mühendislik yaklaşımı olarak tek yakıt itki sistemi kullanılmış; katalizör yatağı, itki sistemindeki ayrışma sırasında zamanla sıcaklık ve basınç değişikliklerine göre analiz edilmiştir. Bu tezde, alüminyum oksit destekli mangan oksit katalizörü sentezlenmiş ve test edilmiştir. Mikrokristalin selüloz şablonlu bir alümina katalizör desteği hazırlanmış ve optimum hazırlık koşullarını belirlemek için parametrik bir çalışma yapılmıştır. Seçilen destekleyici malzeme %15mikro selüloz kullanılmış ve 900 °C'de kalsine edilen alüminyum oksittir. MnOx/Al2O3 katalizör yüzeyinde makro gözenekler oluşmuştur. Bu gözenekler sayesinde sıcak gaz, katalizörü kırmadan gözeneklerden çıkabilmiştir. Ayrıca, kalsinasyon sıcaklığının artırılmasıyla, itki motoru operasyonları için daha uzun ömürlü katalizörler tasarlanmıştır. Bu nedenle, pelet katalizörünün çatlamasından kaynaklanan motorların kararsız performansı, katalizörün gözenekliliği ayarlanarak çözülmüştür. Önceki çalışmalarda, orta seviyede katalitik aktiviteye sahip katalizörlerin mekanik stabilitesini artırmaya odaklanılmıştır. Reaksiyon aktivitesini iyileştirme çalışmaları ikinci hedef olarak mekanik özellikler korunarak sürdürülmüştür. Araştırma, aktif malzeme yüklemesini artırmak için çift emdirme teknikleri ve 325 °C'de ara ısıtma yoluyla geliştirilmiştir. BET analizine göre, yüksek konsantrasyonlu prekürsör çözeltiler, desteğe daha fazla malzeme birikmesine neden olarak gözenek tıkanması ve özgül yüzey alanında azalma ile sonuçlanmıştır. Bu gözlem, SEM görüntülerinde görülen gözeneklerin azalmasıyla da ilişkilendirilmiştir. Manganez prekürsör molaritesinin artırılması ve sentez sürecinin ayarlanması, ilk başlangıçta katalizör performansında önemli iyileştirmelere yol açmış, daha yüksek MnOx yüklemesi ve kinetik ve motor testlerinde artan reaksiyon hızlarıyla kanıtlanmıştır fakat bir süre sonra bütün katalizörlerin performansları birbirine yakınsamıştır. Katalizör sentezinin yanında, çalışılan katalizör kütlesi, partikül boyutu ve hidrojen peroksit konsantrasyonu, hidrojen peroksitteki stabilize edici madde miktarı gibi itki motor performansını etkileyen çeşitli faktörler de araştırılmıştır. H2O2'nin mangan oksit katalizörü kullanılarak ayrışması birinci dereceden kinetik davranışı sergiler. Dış kütle transfer sınırlamaları reaksiyon hızını etkiler. 250-1500 mg arasında katalizör miktarlarının test edilmesi, hızda orantılı bir artış göstererek katalizör kütlesinin önemini vurgulamıştır. Katalizörün partikül boyutu da itki motorun katalitik yatağında önemli olmuştur, çünkü boyut, motor testleri sırasında akış kararsızlıklarına neden olabilir. Test sonuçlarına göre, daha büyük partiküller (700 µm), daha küçük partiküllere (300 µm) kıyasla daha yüksek basınç düşüşlerine (5.34 bar) yol açmış, daha küçük partiküller ise daha düşük basınç kaybı ve daha büyük itiş ile daha kararlı performans sağlamış, motor uygulamalarında üstün etkinlik göstermiştir. Ayrıca, sodyum pirofosfat gibi stabilize edicilerin varlığının katalizör verimliliğini olumsuz etkileyerek H2O2 ayrışmasını engellediği bulunmuştur. Daha düşük fosfatlı hidrojen peroksit sınıflarıyla yapılan testler, katalitik aktivitenin iyileştiğini göstermiş, yakıtın saflığının motor performansı üzerindeki önemini vurgulamıştır. Ayrıca, %87.5 ile %78 arasında değişen hidrojen peroksit konsantrasyonları incelenmiş ve katalizörlerin bunları verimli bir şekilde dekompoz ettiği gösterilmiştir. Daha düşük ayrışma sıcaklıkları küçük itki kayıplarına neden olsa da bunların itki sisteminin genel performansını olumsuz etkilemesi beklenmemektedir. Ayrıca ön ısıtmanın motor çalışması üzerindeki etkileri incelenmiştir. Katalizör yatağının 150 °C'ye kadar ön ısıtılmasının, itki tepki sürelerini azaltarak optimum itki performansı sağladığı görülmüştür. Hidrojen peroksit ve katalizöre uzay radyasyonuna maruz kalmanın etkilerini incelemek için gama radyasyonu uygulanmıştır. İyonize radyasyon, hidrojen peroksitin oksijene ayrışmasına neden olabilmektedir, bu da konsantrasyonunu azaltarak motor performansını etkileyebilir. Ancak, 88% hidrojen peroksit üzerinde 158.4 Gray radyasyona maruz bırakılan testlerde konsantrasyonda önemli bir değişiklik gözlenmemiştir. Radyasyon, sodyum pirofosfat gibi stabilize edicileri bozabilmektedir; ancak değişiklikler minimal olmuştur. Katalizörler de radyasyon etkileri açısından test edilmiş, mangan oksidasyon durumlarında bazı kaymalar gözlenmiştir, ancak katalizörün yapısı ve işlevselliği itici motor ve kinetik testlerde stabil kalmış, sadece reaksiyon hızlarında az seviyede bir azalma gözlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez, tek yakıtlı itki motorlarında hidrojen peroksit ayrışması için katalizör geliştirmesine dair kapsamlı bir çalışma sunmaktadır. Bulgular, katalizör stabilitesi, verimliliği ve performansında önemli ilerlemeler göstermiş ve gelecekteki uzay itki sistemleri uygulamaları için değerli bilgiler sağlamıştır.