Kerosenden şeffaf jel yakıt: Lesitinli karışım uzay araçlarında çalkalanmayı azaltabilir

Roket ve uydu yakıtlarının depolanması ile motora beslenmesi arasındaki eski bir çelişkiye yeni bir çözüm adayı geldi. Kanada'nın Montreal kentindeki Concordia Üniversitesi'nden Pranay Mudaliar ve Makine, Endüstri ve Havacılık-Uzay Mühendisliği bölümünden doçent Jerin John, kerosen bazlı yeni bir jel yakıt geliştirdi. Bulgular Langmuir dergisinde yayımlandı.

Jel, kerosenin lesitinle ve az miktarda kalsiyum klorürle karıştırılmasıyla elde ediliyor. Lesitin doğal kaynaklı, yanabilen organik bir madde. Ortaya çıkan malzeme tamamen yanabiliyor ve saydam.

Sıvı ile katı arasında

Uzay itkisinde kullanılan yakıtlar kabaca iki uçta toplanıyor. Sıvı yakıtlar pompalanıp püskürtülebildiği için motor kolayca kısılıp açılabiliyor; ama depoda çalkalanıyor, sızıntı riski taşıyor ve aracın denetimini zorlaştırabiliyor. Katı yakıtlar depolamada sorunsuz, ancak bir kez ateşlendiklerinde akışlarını yönetmek çok daha güç. Makalede jel yakıtların bu ikisi arasında köprü kurduğu, taşıma ve güvenlik açısından avantaj sağlarken enerji yoğunluğunu koruduğu vurgulanıyor. Sorun, geleneksel jellerin pompalanıp ince damlacıklara ayrılmasının, yani atomizasyonunun zor olması.

Solucan biçimli moleküller

Makaleye göre kalsiyum klorür, lesitin moleküllerinin uzun, solucan benzeri kümeler, yani misel denen yapılar oluşturmasını sağlıyor. Bu yapılar bir ağ gibi örülerek keroseni içinde hapsediyor. Jelleştirici miktarı arttıkça malzeme, koyu bir sıvıdan katıya benzer bir kıvama geçiyor.

Araştırmacılar jelin akış davranışını, yani reolojisini ayrıntılı ölçtü. İki özellik öne çıkıyor. Birincisi "kayma incelmesi": Jel ne kadar hızlı zorlanırsa o kadar kolay akıyor. Kayma hızı saniyede 1'den 100'e çıkarıldığında viskozite yaklaşık 100 kat düşüyor; bu, yakıtın yanmadan önce enjektörde ince damlacıklara ayrılabilmesi için gerekli. İkincisi sıcaklığa duyarlılık: Isıtıldığında jel, jelleştirici oranına bağlı olarak 59 ile 68 santigrat derece arasında sıvılaşıyor. Bu, operasyon sırasında akışı denetlemek için ek bir kol sunuyor.

Jelin bir başka ilginç özelliği, etanol eklendiğinde misel ağının dağılması ve malzemenin neredeyse anında sıvılaşması. Ölçümler ayrıca jelin akmaya başlaması için 14 ile 40 paskal arasında bir eşik gerilimi gerektiğini gösterdi; bu eşik, ağ yoğunlaştıkça yükseliyor.

Ekip, jelin büyük kuvvetler altındaki davranışını da "büyük genlikli salınımlı kayma" (LAOS) denen bir yöntemle inceledi. Bu testlerde malzemenin esnek ve akışkan tepkileri birbirinden ayrıştırılabiliyor. Sonuçlar, zorlama arttıkça misel ağının adım adım çözüldüğünü gösterdi. Başka bir deyişle jel, bir pompanın ya da enjektörün uyguladığı kuvvet karşısında birden değil, kademeli olarak sıvı gibi davranmaya başlıyor; bu da akışın daha öngörülebilir olması anlamına gelebilir.

Durgunken sakin, gerektiğinde akışkan

Küçük deformasyonlarda jel ağırlıklı olarak esnek bir katı gibi davranıyor. Makaleye göre bu, yakıt dururken sızıntıyı ve çalkalanmayı azaltıyor, uzun süreli depolamayı destekliyor. Concordia Üniversitesi'nin açıklamasına göre kapalı kaplarda saklanan örnekler bir yılı aşkın süre boyunca ayrışma belirtisi göstermeden kararlı kaldı. Saydam yapısı da araştırmacıların yakıtın nasıl aktığını ve yandığını gözle izlemesine olanak tanıyabilir.

Sırada gerçek motor testleri var

Çalışma şimdilik bir malzeme karakterizasyonu: Jelin farklı kuvvet, sıcaklık ve kimyasal koşullar altında nasıl davrandığını ortaya koyuyor ama bir motorda ateşlenmiş değil. Ekip de bu sonuçların gelişme için umut verici bir temel oluşturduğunu, ancak malzemenin uzay uçuşunda ne kadar iyi performans göstereceğini anlamak için gerçek itki sistemlerinde test edilmesi gerektiğini belirtiyor. Yanma verimi, enjektörlerdeki davranış ve uzay ortamındaki sıcaklık değişimlerine dayanıklılık bu testlerin yanıtlaması gereken başlıca sorular olacak.