I ricercatori della RMIT University , in Australia, hanno sviluppato una serie di dispositivi di raffreddamento stampati in 3D di nuova generazione che potrebbero essere la chiave per risolvere uno dei maggiori problemi del volo ipersonico.
I catalizzatori stampati in 3D, come vengono chiamati, sono essenzialmente scambiatori di calore metallici rivestiti di minerali sintetici noti come zeoliti. Sono convenienti da stampare e facili da ridimensionare e utilizzano il carburante per aerei come refrigerante per controllare la temperatura dell’ambiente circostante. Il team di ricerca ritiene che il progresso potrebbe potenzialmente risolvere il problema del surriscaldamento in applicazioni ad alta temperatura come il volo ipersonico.
Il dottor Selvakannan Periasamy, il ricercatore principale dello studio, ha dichiarato: “I nostri test di laboratorio mostrano che i catalizzatori stampati in 3D che abbiamo sviluppato hanno grandi promesse per alimentare il futuro del volo ipersonico. Potenti ed efficienti, offrono un’eccitante soluzione potenziale per la gestione termica nell’aviazione e oltre. Con un ulteriore sviluppo, speriamo che questa nuova generazione di catalizzatori stampati in 3D ultra efficienti possa essere utilizzata per trasformare qualsiasi processo industriale in cui il surriscaldamento è una sfida sempre presente”.
Una gamma di progetti sperimentali per i catalizzatori stampati in 3D. Foto via RMIT University.
Il problema del controllo della temperatura
Il volo ipersonico è definito come una velocità superiore a Mach 5 (cinque volte la velocità del suono) o 6.500 km all’ora. Funzionando alla massima velocità, un aereo ipersonico potrebbe teoricamente viaggiare dall’Europa all’Australia in meno di tre ore. Sfortunatamente, solo un numero selezionato di velivoli sperimentali ha mai raggiunto Mach 5, poiché ci sono diverse sfide ingegneristiche che lo rendono incredibilmente difficile. Uno dei maggiori ostacoli è mantenere l’aereo fresco, poiché viaggiare a tali velocità genera calore estremo.
Secondo la coautrice Roxanne Hubesch, riutilizzare il carburante come refrigerante è uno dei metodi più promettenti per trattare il problema del surriscaldamento.
Aggiunge: “I combustibili che possono assorbire il calore mentre alimentano un aereo sono un obiettivo chiave per gli scienziati, ma questa idea si basa su reazioni chimiche che consumano calore che richiedono catalizzatori altamente efficienti”.
A causa delle dimensioni e dei vincoli di massa dei componenti dei velivoli ipersonici, i catalizzatori devono essere il più piccoli possibile. Pertanto, il team ha utilizzato la stampa 3D SLM per produrre i propri scambiatori di calore e li ha rivestiti con zeoliti, trasformandoli nei catalizzatori utilizzabili finali.
Quindi, come funzionano effettivamente i catalizzatori? Quando le strutture stampate in 3D sono esposte al calore, parte del materiale metallico di base si sposta nel rivestimento di zeolite. Questo è ciò che consente la reazione endotermica (assorbimento di calore) nel carburante che scorre attraverso la struttura stampata, raffreddando l’ambiente circostante nel processo. Quando hanno testato la funzionalità dei loro catalizzatori stampati in un laboratorio con temperature e pressioni simulate, i ricercatori hanno scoperto che hanno “un’efficienza senza precedenti”.
“I nostri catalizzatori stampati in 3D sono come reattori chimici in miniatura e ciò che li rende così incredibilmente efficaci è quel mix di metalli e minerali sintetici”, spiega Hubesch. “È una nuova entusiasmante direzione per la catalisi, ma abbiamo bisogno di più ricerca per comprendere appieno questo processo e identificare la migliore combinazione di leghe metalliche per il massimo impatto”.
Per quanto riguarda il lavoro futuro, il team RMIT intende ottimizzare i catalizzatori stampati in 3D con l’uso di tecniche di sincrotrone a raggi X e altri metodi di analisi avanzati. Le speranze sono che le potenziali applicazioni della tecnologia possano essere ampliate al controllo dell’inquinamento atmosferico per i veicoli e ai dispositivi per la qualità dell’aria per gli spazi interni.
Suresh Bhargava, direttore del Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry di RMIT, ha dichiarato: “Questa terza generazione di catalisi può essere collegata alla stampa 3D per creare nuovi progetti complessi che in precedenza non erano possibili. I nostri nuovi catalizzatori stampati in 3D rappresentano un approccio radicalmente nuovo che ha un potenziale reale per rivoluzionare il futuro della catalisi in tutto il mondo”.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato ” Zeoliti su struttura metallica aperta stampata in 3D: la migrazione dei metalli nella zeolite ha promosso il cracking catalitico dei combustibili endotermici per i veicoli di volo “. È co-autore di Suresh Bhargava, Roxanne Hubesch, Selvakannan Periasamy, et al.
