Infrarouge à haute vitesse révèle un propergol hypergolique plus sûr

Lorsque la capsule Crew Dragon de SpaceX a amerrí au large de la Floride en août suite à sa première mission habitée, les deux astronautes à l'intérieur n'ont pas pu quitter la capsule immédiatement. Les techniciens à l'extérieur ont dû confirmer qu'il n'y avait pas de vapeurs aéroportées d'hydrazine, un carburant hautement toxique utilisé par les propulseurs hypergoliques du véhicule. Maintenant, des chercheurs en combustion de l'Université Purdue étudient un propergol hypergolique plus sûr et moins toxique, étudiant sa réaction explosive avec une nouvelle technique impliquant à la fois des caméras haute vitesse visibles et infrarouges. Les hypergoliques sont des substances qui s'enflamment instantanément quand elles entrent en contact l'une avec l'autre.

« Les hypergoliques ont été utilisés depuis l'ère Apollo et avant », a dit Steven Son, Professeur Alfred J. McAllister de Génie Mécanique à Purdue, et expert en matériaux énergétiques tels que propergols, explosifs et pyrotechnie. « Ils peuvent être stockés à température ambiante, et ils s'enflamment instantanément quand ils sont mélangés, ce qui les rend plus polyvalents et fiables que les carburants cryogéniques. »

Bien que leur utilisation en fusée soit bien documentée, les carburants hypergoliques actuels sont aussi notoirement dangereux pour les humains à manipuler, et mauvais pour l'environnement. Contrairement à la plupart des autres carburants hypergoliques, le borane d'ammoniac (NH3BH3) est un matériau solide, stable dans des conditions atmosphériques typiques. En raison de sa densité d'hydrogène, il a d'abord été développé comme milieu de stockage d'hydrogène à l'état solide. Mais les chercheurs en combustion ont récemment découvert ses propriétés hypergoliques, qui pourraient être utilisées comme partie d'un propergol hybride.

« Avant que cela puisse être utilisé dans le monde réel, nous devons comprendre la science fondamentale de la combustion régissant son comportement », a dit Chris Goldenstein, professeur assistant de génie mécanique à Purdue. « Nous utilisons une nouvelle approche qui combine l'imagerie visible et infrarouge pour caractériser le processus de combustion. »

L'imagerie infrarouge permet aux chercheurs de voir la composition chimique de la flamme tout au long du processus de combustion. « Chaque molécule a une empreinte spectrale unique », a dit Goldenstein. « En cherchant des longueurs d'onde spécifiques de lumière, nous pouvons identifier où dans l'espace certaines molécules sont distribuées et savoir à quel point le processus de combustion est complet. Beaucoup des longueurs d'onde désirées ne sont pas visibles à l'œil nu, et l'imagerie infrarouge est la seule façon de les voir. »

Puisque la réaction a lieu en seulement quelques millisecondes, les chercheurs utilisent des caméras spécialisées capables de capturer au moins 2 000 images par seconde. La vidéo haute vitesse révèle un flash vert remarquable et en expansion rapide, démontrant la puissance des substances hypergoliques.

« Nous commençons généralement avec de très petits échantillons », a dit Michael Baier, doctorant à l'École d'Aéronautique et d'Astronautique de Purdue, qui mène les expériences aux Zucrow Labs. « Nous utilisons juste un peu de poudre de borane d'ammoniac, et au-dessus se trouve une seringue qui distribue une goutte de microlitre de l'oxydant, qui, dans ce cas, est de l'acide nitrique blanc fumant. Même alors, ça fait un joli bang. Ces quelques millisecondes nous donnent toutes les données dont nous avons besoin pour caractériser l'inflammation. »

Son a dit : « Grâce à l'imagerie infrarouge, nous avons vu beaucoup de signal BO2, ce qui nous a surpris. Cela indique que le borane d'ammoniac atteint une combustion complète même mieux que les carburants au bore conventionnels. »

Bien que le borane d'ammoniac puisse être moins toxique que les hypergoliques traditionnels à base d'hydrazine, il reste assez dangereux à manipuler, comme le sont tous les matériaux énergétiques. Mais les Zucrow Labs recherchent les technologies de propulsion depuis 1948 et sont l'un des rares laboratoires universitaires entièrement équipés pour étudier les matériaux énergétiques.