Chất xúc tác in 3D, giải pháp tiên tiến xử lý nhiệt cho máy bay siêu thanh

Những cuộc thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của nhóm cho thấy, những chất xúc tác in 3D có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay siêu âm đồng thời làm mát hệ thống.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Hóa học của Hiệp hội Hoàng gia, Chemical Communications .

Trưởng nhóm nghiên cứu, TS Selvakannan Periasamy cho biết, công trình khoa học giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của quá trình phát triển máy bay siêu thanh: kiểm soát sức nóng rất cao tích tụ khi bay với tốc độ đến 5 Mach. 

Tiếp tục phát triển cao hơn, thế hệ chất xúc tác in 3D siêu hiệu quả mới có thể được sử dụng để biến đổi những quy trình công nghiệp có nhiệt lượng quá cao, một thách thức lớn trong sản xuất.

Một loạt các thiết kế thử nghiệm các chất xúc tác in 3D. Ảnh: Đại học RMIT

Các máy bay thử nghiệm đạt tốc độ siêu âm (trên Mach 5 - trên 3.800 dặm /giờ (6.100km / h) hoặc 1 dặm (1,7km) mỗi giây).

Theo lý thuyết, một máy bay siêu thanh có thể bay từ London đến New York trong vòng chưa đầy 90 phút nhưng có những khó khăn trong quá trình nghiên cứu phát triển phương tiện bay siêu thanh như mức gia nhiệt. Các nhà khoa học đề xuất sử dụng nhiên liệu làm chất làm mát, đây là cách tiếp cận thử nghiệm có thể giải quyết tốt nhất vấn đề quá tải nhiệt.

Nhiên liệu có thể hấp thụ nhiệt trong khi cung cấp năng lượng cho máy bay là trọng tâm nghiên cứu chính của các nhà khoa học, nhưng ý tưởng này phát triển trên cơ sở các phản ứng hóa học tiêu thụ nhiệt cần chất xúc tác hiệu quả cao.

Ngoài ra, các bộ trao đổi nhiệt, nơi nhiên liệu tiếp xúc với chất xúc tác phải càng nhỏ càng tốt, do những hạn chế về khối lượng và trọng lượng của máy bay siêu thanh.

Để chế tạo các chất xúc tác mới, nhóm nghiên cứu in 3D các bộ trao đổi nhiệt cực nhỏ làm bằng hợp kim kim loại và phủ chúng bằng các khoáng chất tổng hợp được gọi là zeolit.

Các nhà khoa học tái tạo ở quy mô phòng thí nghiệm nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt mà nhiên liệu phải chịu ở tốc độ siêu âm, để kiểm tra chức năng của thiết kế bộ trao đổi nhiệt.

Khi các cấu trúc in 3D nóng lên, một số kim loại di chuyển vào khung zeolit, đây là quá trình quan trọng đối với hiệu suất cao của các chất xúc tác mới. Các chất xúc tác in 3D tương tự những lò phản ứng hóa học thu nhỏ có được hiệu quả cao nhờ chế tạo từ hỗn hợp kim loại và khoáng chất tổng hợp.

Nhóm nghiên cứu từ Trung tâm Vật liệu Tiên tiến và Hóa học Công nghiệp (CAMIC) của RMIT tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa các chất xúc tác in 3D bằng kỹ thuật synctron tia X và các phương pháp phân tích chuyên sâu khác, đồng thời sẽ mở rộng công trình nghiên cứu cho các ứng dụng tiềm năng như kiểm soát ô nhiễm không khí cho các phương tiện giao thông, những thiết bị thu nhỏ để cải thiện chất lượng không khí trong tòa nhà hoặc kiểm soát và lọc virus trong không khí như Covid-19 .

Các chất xúc tác in 3D được sản xuất bằng công nghệ Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) trong Cơ sở Sản xuất Kỹ thuật số, thuộc Nhà xưởng Sản xuất Tiên tiến của RMIT.