고속 적외선으로 더 안전한 하이퍼골릭 추진제 발굴

SpaceX의 크루 드래건 캡슐이 첫 유인 임무 후 8월 플로리다 해안 앞바다에 착수했을 때, 내부에 있던 두 우주비행사는 즉시 캡슐을 나올 수 없었습니다. 외부 기술자들이 차량의 하이퍼골릭 스러스터에 사용되는 독성이 강한 연료인 히드라진의 공기 중 증기가 없는지 확인해야 했기 때문입니다. 이제 퍼듀 대학교 연소 연구자들은 가시광 및 적외선 고속 카메라를 모두 사용하는 새로운 기술을 통해 더 안전하고 독성이 적은 하이퍼골릭 추진제를 조사하고 있습니다. 하이퍼골릭은 서로 접촉할 때 즉시 발화하는 물질입니다.

"하이퍼골릭은 아폴로 시대 이전부터 줄곧 사용되어 왔습니다."라고 퍼듀의 Alfred J. McAllister 기계공학 교수이자 추진제, 폭약, 파이로테크닉 같은 에너지 물질 전문가인 Steven Son은 말했습니다. "상온에서 보관할 수 있고, 혼합되면 즉시 발화하므로 극저온 연료보다 더 다재다능하고 신뢰할 수 있습니다."

로켓 분야에서의 사용이 잘 문서화되어 있지만, 현재 하이퍼골릭 연료는 인간이 다루기에 악명 높게 위험하고 환경에도 나쁩니다. 대부분의 다른 하이퍼골릭 연료와 달리 암모니아 보레인(NH3BH3)은 일반적인 대기 조건에서 안정적인 고체 물질입니다. 수소 밀도 때문에 수소 고체 저장 매체로 처음 개발되었습니다. 하지만 연소 연구자들은 최근 그 하이퍼골릭 특성을 발견했는데, 이는 하이브리드 추진제의 일부로 사용될 수 있습니다.

"이것이 실제 세계에서 사용되기 전에, 그 행동을 지배하는 기초 연소 과학을 이해해야 합니다."라고 퍼듀 기계공학 조교수 Chris Goldenstein은 말했습니다. "우리는 가시광 및 적외선 이미징을 결합한 새로운 접근 방식을 사용하여 연소 과정을 특성화하고 있습니다."

적외선 이미징은 연소 과정 전반에 걸쳐 화염의 화학적 구성을 볼 수 있게 합니다. "모든 분자는 고유한 스펙트럴 지문을 가집니다."라고 Goldenstein은 말했습니다. "특정 파장의 빛을 찾음으로써 특정 분자가 공간에서 어디에 분포되어 있는지 확인하고 연소 과정이 얼마나 완전한지 알 수 있습니다. 원하는 많은 파장은 육안으로 보이지 않으며, 적외선 이미징이 이를 볼 수 있는 유일한 방법입니다."

반응이 단 몇 밀리초 만에 일어나기 때문에 연구자들은 초당 최소 2,000프레임을 촬영할 수 있는 특수 카메라를 사용합니다. 고속 비디오는 놀라운 속도로 팽창하는 녹색 섬광을 보여주며 하이퍼골릭 물질의 힘을 입증합니다.

"우리는 일반적으로 매우 작은 샘플로 시작합니다."라고 퍼듀 항공우주공학 박사과정 Michael Baier는 말했습니다. "암모니아 보레인 가루를 조금 사용하고, 그 위에는 산화제인 적연질산을 마이크로리터 방울로 분배하는 주사기가 있습니다. 그래도 꽤 큰 소리가 납니다. 그 몇 밀리초가 점화를 특성화하는 데 필요한 모든 데이터를 줍니다."

Son은 "적외선 이미징 덕분에 많은 BO2 신호를 보았는데, 이는 우리에게 놀라웠습니다. 이는 암모니아 보레인이 기존 붕소 연료보다 훨씬 더 완전한 연소를 달성함을 나타냅니다."라고 말했습니다.

암모니아 보레인이 전통적인 하이드라진 기반 하이퍼골릭보다 덜 독성일 수 있지만, 모든 에너지 물질이 그렇듯 여전히 다루기에 꽤 위험합니다. 하지만 Zucrow Labs는 1948년부터 추진 기술을 연구해 왔으며 에너지 물질을 연구하기 위해 완벽하게 갖춰진 학계 몇 안 되는 연구소 중 하나입니다.