Учёные создали ракетное топливо, которое становится в 100 раз более текучим при движении
Канадские исследователи разработали новое гелеобразное топливо на основе керосина, способное сохранять густую консистенцию при хранении и становиться значительно более текучим при механическом воздействии. В лабораторных испытаниях его вязкость уменьшалась примерно в 100 раз при увеличении скорости сдвига. Материал может упростить хранение и подачу топлива в двигатели ракет и спутников, однако его работоспособность в реальных двигательных установках пока не проверялась.
Разработку представили Пранаи Мудалиар и Джерин Джон из Университета Конкордия в Монреале. Исследователи создали прозрачный горючий гель, объединив керосин, лецитин и небольшое количество хлорида кальция. Полученный материал обладает необычными свойствами: в состоянии покоя он сохраняет густую консистенцию и практически не течёт, а при механическом воздействии его вязкость значительно снижается. Поведение геля также зависит от температуры, что позволяет изменять его текучесть с помощью нагревания.
Одна из проблем жидкого ракетного топлива связана с его перемещением внутри баков. При манёврах космического аппарата топливо может колебаться, создавая дополнительные нагрузки и влияя на устойчивость движения. Гелеобразные составы способны уменьшить такие колебания и снизить вероятность утечек, однако их высокая вязкость затрудняет перекачивание и распыление перед сгоранием. Новый материал разработан с целью совместить стабильность геля при хранении с удобством подачи жидкого топлива.
Главной особенностью разработки стало выраженное сдвиговое разжижение — свойство материала уменьшать вязкость при увеличении скорости деформации. В испытаниях исследователи повышали скорость сдвига от 1 до 100 обратных секунд, в результате чего вязкость керосинового геля уменьшалась приблизительно в 100 раз. Это потенциально позволяет сохранять топливо в относительно устойчивом состоянии внутри бака, а при подаче в двигатель обеспечивать его движение по трубопроводам. Однако эффективность распыления и сгорания нового состава в реальном ракетном двигателе ещё предстоит определить.
За необычное поведение материала отвечает его внутренняя структура. В присутствии хлорида кальция молекулы лецитина образуют длинные нитевидные объединения, называемые мицеллами. Они формируют пространственную сеть, внутри которой удерживается керосин. При небольших нагрузках эта сеть придаёт смеси упругость и препятствует течению, а при усилении механического воздействия её структура изменяется, благодаря чему материал начинает вести себя преимущественно как жидкость. Исследователи установили, что для начала заметного течения образцам требовалось напряжение сдвига от 14 до 40 паскалей в зависимости от состава.
Другим важным свойством оказалась чувствительность к температуре. При нагревании до 59–68 градусов Цельсия, в зависимости от концентрации компонентов, материал переходил из преимущественно упругого состояния в преимущественно вязкое. Учёные также обнаружили, что добавление этанола практически мгновенно разрушает сеть мицелл, превращая гель в жидкость. Эти результаты показывают, что текучестью смеси можно управлять несколькими способами, однако их практическое применение в топливных системах потребует дополнительных испытаний.
Отдельные эксперименты были посвящены стабильности материала при длительном хранении. Образцы находились в герметичных контейнерах более года и за это время не продемонстрировали видимого разделения компонентов. При исследовании механических характеристик выяснилось, что гель сохраняет преимущественно упругие свойства при небольших деформациях, менее 1%. При более сильном воздействии его внутренняя структура постепенно разрушалась, что сопровождалось изменением вязкости и упругости. Дополнительным преимуществом исследователи называют прозрачность состава, которая может облегчить наблюдения за движением топлива, образованием капель и процессами горения.
Исследование в журнале Langmuir.