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Catalisadores impressos em 3D podem solucionar problema do voo hipersônico

Imagem ilustrativa: Aerion

Catalisadores ultra-eficientes impressos em 3D podem ajudar a resolver o desafio do superaquecimento em aeronaves hipersônicas e oferecer uma solução revolucionária para gerenciamento térmico em inúmeras indústrias.

Desenvolvidos por pesquisadores da Universidade RMIT na Austrália, os catalisadores altamente versáteis são econômicos de se produzir e simples de escalar a produção.

As demonstrações de laboratório da equipe mostram que os catalisadores impressos em 3D podem ser usados ​​para impulsionar o voo hipersônico ao mesmo tempo em que resfriam o sistema. A pesquisa foi publicada na revista Royal Society of Chemistry, Chemical Communications.

O pesquisador principal, Dr. Selvakannan Periasamy, disse que seu trabalho abordou um dos maiores desafios no desenvolvimento de aeronaves hipersônicas: controlar o calor incrível que se acumula quando os aviões voam a mais de cinco vezes a velocidade do som.

“Nossos testes de laboratório mostram que os catalisadores impressos em 3D que desenvolvemos são uma grande promessa para alimentar o futuro do voo hipersônico.

“Potentes e eficientes, eles oferecem uma solução potencial interessante para gerenciamento térmico na aviação, e além. Com mais desenvolvimento, esperamos que esta nova geração de catalisadores impressos em 3D ultra-eficientes possa ser usada para transformar qualquer processo industrial onde o superaquecimento é um desafio sempre presente”, disse Periasamy.

Apenas alguns aviões experimentais alcançaram velocidade hipersônica (definida como acima de Mach 5 – mais de 6.100 km/h ou 1,7 km por segundo). Em teoria, uma aeronave hipersônica poderia viajar de Londres a Sydney em quatro horas, mas muitos desafios permanecem no desenvolvimento de viagens aéreas hipersônicas, como os níveis extremos de calor.

A primeira autora e pesquisadora PhD Roxanne Hubesch disse que usar combustível como refrigerante era uma das abordagens experimentais mais promissoras para o problema de superaquecimento.

“Combustíveis que podem absorver calor enquanto alimentam uma aeronave são o foco principal dos cientistas, mas essa ideia se baseia em reações químicas que consomem calor e precisam de catalisadores altamente eficientes”, disse Hubesch. “Além disso, os trocadores de calor onde o combustível entra em contato com os catalisadores devem ser os menores possíveis, devido às restrições de volume e peso em aeronaves hipersônicas.”

Para fazer os novos catalisadores, a equipe imprimiu em 3D minúsculos trocadores de calor feitos de ligas metálicas e os revestiu com minerais sintéticos conhecidos como zeólitas.

Imagem: RMIT

Os pesquisadores replicaram em escala de laboratório as temperaturas e pressões extremas experimentadas pelo combustível em velocidades hipersônicas, para testar a funcionalidade de seu projeto.

Reatores químicos em miniatura

Quando as estruturas impressas em 3D aquecem, parte do metal se move para a estrutura do zeólito – um processo crucial para essa eficiência sem precedentes dos novos catalisadores.

“Nossos catalisadores impressos em 3D são como reatores químicos em miniatura e o que os torna tão incrivelmente eficazes é a mistura de metais e minerais sintéticos”, disse Hubesch. “É uma direção nova e empolgante para a catálise, mas precisamos de mais pesquisas para entender totalmente este processo e identificar a melhor combinação de ligas metálicas para o maior impacto.”

As próximas etapas para a equipe de pesquisa do Centro de Materiais Avançados e Química Industrial (CAMIC) da RMIT incluem a otimização dos catalisadores impressos em 3D estudando-os com técnicas de síncrotron de raios-X e outros métodos de análise aprofundada.

Os pesquisadores também esperam estender as aplicações potenciais do trabalho no controle da poluição do ar para veículos e dispositivos em miniatura para melhorar a qualidade do ar interno – especialmente importante no gerenciamento de vírus respiratórios aerotransportados como o da COVID-19.  

O Diretor do CAMIC e Distinto Professor Suresh Bhargava disse que a indústria química de um trilhão de dólares foi amplamente baseada na velha tecnologia catalítica.

“Esta terceira geração de catálise pode ser associada à impressão 3D para criar novos designs complexos que antes não eram possíveis”, disse Bhargava. “Nossos novos catalisadores impressos em 3D representam uma nova abordagem radical que tem potencial real para revolucionar o futuro da catálise em todo o mundo.”

O co-autor do estudo, Dr. Maciej Mazur, do RMIT Center for Additive Manufacturing, disse que o trabalho foi um forte exemplo de inovação que se tornou possível por meio da colaboração interdisciplinar. “Combinar a manufatura aditiva com as ciências químicas produziu resultados inovadores”, disse Mazur.

Informações da RMIT

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