بررسی نحوه واکنش پیشرانههای سوخت جامد الکتریکی به دماهای بالا
محمد امین آهنگری: پیشرانههای سوخت جامد الکتریکی بهعنوان گزینهای ایمن برای علم پایروتکنیک (Pyrotechnics)، معدنکاری و همینطور ایجاد نیروی رانش در فضا مورد بررسی قرار میگیرند، زیرا تنها با یک جریان الکتریکی مشتعل میشوند. اما از آنجا که همه این کاربردها نیازمند گرمای بالایی هستند، آگاهی از اینکه چگونه درجه حرارت بالا موجب تغییر شیمیایی در پیشرانهها میشود، حائز اهمیت است. در همین راستا محققانی از دانشگاههای ایلیونز (University of Illinois) و علم و فناوری میزوری (Missouri University of Science and Technology) و همچنین پژوهشگرانی از آژانس فضایی آمریکا با استفاده از یک مدل رایانهای که خواص ترموشیمیایی مواد با دمای بالا را شبیهسازی میکند، ترموشیمی یا گرماشیمی (thermochemistry) یک پیشرانه سوخت جامد الکتریکی جدید با کارآیی بالا را پیشبینی کردند. لازم به توضیح است ترموشیمی به علمی اطلاق میگردد که به مطالعه تغییرات گرما و انرژی طی یک واکنش شیمیایی میپردازد.
این تحقیق با بهرهگیری از یک مدل عددی از قبل توسعهداده شده، برای مواد و دادههای تفلون آغاز شد تا یک شاخص ارائه گردد. محققان پس از تأیید صحت شبیهسازی تفلون، از همان مدل برای دادههای پیشرانه برقی مورد نظر جهت پیشبینی هدایت و یونیزاسیون آن در دماهای مشابه تفلون استفاده نمودند. یکی از نکات اصلی مطالعه یادشده این است که این پیشرانه الکتریکی با کارایی بالا در دماهای بسیار زیاد دارای درونگرمی یا آنتالپی (enthalpy) ذخیرهشده بیشتری میباشد. در چنین دماهای بالایی، خواص شیمیایی پیشرانه جامد تغییر میکند؛ چراکه ماده معمولی تفلون از دو کربن و چهار فلوئور تشکیل شده که به یکدیگر پیوند دارند و با از میان رفتن این پیوندها آنقدر گرما ایجاد میشود که مولکولهایشان از هم جدا میگردند. گفتنی است آنتالپی به مقدار کل محتوای انرژی یک سامانه در فشار و دما ثابت گفته میشود.
جوشوا رووی (Joshua Rovey)، از کالج مهندسی گرینگر (Grainger College of Engineering) در آمریکا، میگوید: «در تراسترهای پالس پلاسمایی، یک پلاسما با دمای بالا در کنار سطح پیشران جامد الکتریکی وجود دارد. گرما باعث میشود مقادیر کمی از نیروی پیشران بهصورت گاز از سطح، خارج و یا تبخیر شود. این گاز آنقدر داغ است که موجب جدا شدن الکترونها از اتم میشود. گاز داغ با سرعتی زیاد از تراستر خارج شده و موجب تولید نیروی رانش برای حامل فضایی میگردد.» گفتنی است در این مدل، دماهای از ۵۰۰ تا ۴۰۰۰۰ درجه کلوین شبیهسازی شد. برای درک بهتر، دمای سطح یک ستاره حدوداً ۱۲۰۰۰ درجه کلوین میباشد. بهگفته جوشوا، تحقیق مذکور نشاندهنده ترکیب اتمها و مولکولها در پیشرانه الکتریکی در دمای بالا و نحوه واکنش آنها به حرارت بسیار زیاد است.