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Sábado, Julho 2, 2022

Catalisadores impressos em 3D da próxima geração para impulsionar o voo hipersônico – velocidades acima de 3.800 mph

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Plano Hipersônico Hermeus

Impressão artística de um avião hipersônico. Crédito: Hermeus

Catalisadores impressos em 3D ultraeficientes podem ajudar a resolver o desafio de superaquecimento em aeronaves hipersônicas e oferecer uma solução revolucionária para gerenciamento térmico em inúmeras indústrias.

Desenvolvidos por pesquisadores da RMIT University em Melbourne, Austrália, os catalisadores altamente versáteis são econômicos de fazer e simples de dimensionar.

As demonstrações de laboratório da equipe mostram que os catalisadores impressos em 3D podem ser usados ​​para alimentar o voo hipersônico e, ao mesmo tempo, resfriar o sistema.

A pesquisa foi publicada na revista Royal Society of Chemistry, Comunicações Químicas.

O pesquisador-chefe Dr. Selvakannan Periasamy disse que seu trabalho abordou um dos maiores desafios no desenvolvimento de aeronaves hipersônicas: controlar o incrível calor que se acumula quando os aviões voam a mais de cinco vezes a velocidade do som.

“Nossos testes de laboratório mostram que os catalisadores impressos em 3D que desenvolvemos são muito promissores para alimentar o futuro do voo hipersônico”, disse Periasamy.

“Poderosos e eficientes, eles oferecem uma solução potencial empolgante para gerenciamento térmico na aviação – e além.

“Com mais desenvolvimento, esperamos que esta nova geração de catalisadores impressos em 3D ultraeficientes possa ser usada para transformar qualquer processo industrial onde o superaquecimento seja um desafio sempre presente.”

Catalisadores impressos em 3D

Uma variedade de projetos experimentais para os catalisadores impressos em 3D. Crédito: Universidade RMIT

Necessito de velocidade

Apenas alguns aviões experimentais atingiram a velocidade hipersônica (definida acima de Mach 5 – mais de 6.100 km/h) ou 1,7 km por segundo).

Em teoria, uma aeronave hipersônica poderia viajar de Londres a Nova York em menos de 90 minutos, mas muitos desafios permanecem no desenvolvimento de viagens aéreas hipersônicas, como os níveis extremos de calor.

A primeira autora e pesquisadora de doutorado, Roxanne Hubesch, disse que o uso de combustível como refrigerante foi uma das abordagens experimentais mais promissoras para o problema do superaquecimento.

“Os combustíveis que podem absorver calor enquanto alimentam uma aeronave são um foco importante para os cientistas, mas essa ideia depende de reações químicas que consomem calor que precisam de catalisadores altamente eficientes”, disse Hubesch.

“Além disso, os trocadores de calor onde o combustível entra em contato com os catalisadores devem ser os menores possíveis, devido ao volume apertado e às restrições de peso em aeronaves hipersônicas.”

Para fazer os novos catalisadores, a equipe imprimiu em 3D minúsculos trocadores de calor feitos de ligas metálicas e os revestiu com minerais sintéticos conhecidos como zeólitos.

Os pesquisadores replicaram em escala de laboratório as temperaturas e pressões extremas experimentadas pelo combustível em velocidades hipersônicas, para testar a funcionalidade de seu projeto.

Reatores químicos em miniatura

Quando as estruturas impressas em 3D aquecem, parte do metal se move para a estrutura da zeólita – um processo crucial para a eficiência sem precedentes dos novos catalisadores.

“Nossos catalisadores impressos em 3D são como reatores químicos em miniatura e o que os torna tão incrivelmente eficazes é essa mistura de metais e minerais sintéticos”, disse Hubesch.

“É uma nova direção empolgante para a catálise, mas precisamos de mais pesquisas para entender completamente esse processo e identificar a melhor combinação de ligas metálicas para o maior impacto.”

Os próximos passos para a equipe de pesquisa do Centro de Materiais Avançados e Química Industrial (CAMIC) do RMIT incluem a otimização dos catalisadores impressos em 3D, estudando-os com técnicas de síncrotron de raios X e outros métodos de análise aprofundada.

Os pesquisadores também esperam estender as aplicações potenciais do trabalho no controle da poluição do ar para veículos e dispositivos em miniatura para melhorar a qualidade do ar interno – especialmente importante no gerenciamento de vírus respiratórios no ar, como[{” attribute=””>COVID-19.  

CAMIC Director, Distinguished Professor Suresh Bhargava, said the trillion-dollar chemical industry was largely based on old catalytic technology.

“This third generation of catalysis can be linked with 3D printing to create new complex designs that were previously not possible,” Bhargava said.

“Our new 3D printed catalysts represent a radical new approach that has real potential to revolutionize the future of catalysis around the world.”

The 3D printed catalysts were produced using Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) technology in the Digital Manufacturing Facility, part of RMIT’s Advanced Manufacturing Precinct.

Reference: “Zeolites on 3D-Printed Open Metal Framework Structure: Metal migration into zeolite promoted catalytic cracking of endothermic fuels for flight vehicles” by Roxanne Hubesch, Maciej Mazur, Karl Föger, P. R. Selvakannan and Suresh K. Bhargavan, 25 August 2021, Chemical Communications.
DOI: 10.1039/D1CC04246G





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