ЖРД на закиси азота: новые технологии

Давно известно, что при нагревании от 600ºЦ Nitrous oхide N2O начинает разлагаться на кислород и азот с выделением тепла. Preheater grain в ГРД на N2O делает это при старте двигателя. Давно интересовался этим процессом, пробовал металлические сетки в пироклапане , которые увеличивали эффективность термальной диссоциации. Даже набросал концептуальный дизайн:"resistivе preheater device": конструкцию электрического нагревателя для поджига (и рестарта) ГРД на закиси азота. Однако после первого же поиска в Инете оказалось, что ещё в 1999 году был запущен небольшой спутник с трастерами на N2O, а потом эта тема обвально переросла в поток исследований по замещению гидразина, пероксидки и "холодных газов" в бортовых системах ориентации. Этим занимались группы в Англии, Штатах, Китае, Индии... Интересная работа по созданию прототипа бипропеллентного мотора на N2O/C2H4, а также монопропеллентного трастера была проделана компанией DARPA по контракту с NASA. Прочитал их отчёт и сам воодушевился попробовать эту очень простую схему, с использованием коммерческого катализатора, ранее применяемого для разложения гидразина и MMHD в трастерах ориентации. Какое-то время займёт покупка катализатора, а пока буду собирать стенд... Прикладываю вот эту ссылку:



А если кому-то будет интересно, то найдёт ещё в тех же ресурсах.

OFF - а "разрушители легенд" ГРД на колбасе "салями" запускали. Сверлили колбасу на токарном станке - это было топливо.

Порывшись в старых лабораторных материалах нашёл гранулы Al2O3 и цеолита, подходящего диаметра (1.5-2 мм). А также целую упаковку PdCl2. Пока не оформил покупку коммерческого катализатора, хотел бы попробовать с самодельным, на базе палладия. Да вот беда, тут никто не знает точно, как его готовить. Прочитал в одной популярной книжке о свойствах Pd, что палладиевую чернь можно приготовить и нанести на любой абсорбент (уголь, керамика, керамическая вата и т.д.) растворив PdCl2 в слабом растворе щёлочи, обработав материал, а затем восстановить металл нагревом в атмосфере водорода. Вопрос знатокам: если кто-нибудь из химиков или других спецов, работавших с катализаторами, сможет дать более точные рекомендации по нанесению палладия на керамический носитель. Или дать ссылку. Также вопрос к электрикам: как лучше покрыть окислом нихром 0.3 мм для намотки нагревателя реакторной части. Когда-то сам где-то читал,а потом и делал реостаты, предварительно нагрев нихромовый провод по всей длине до слабого красного свечения. Но вот помнится, что также рекомендовалось намазать проволоку предварительно то ли воском, то ли салом. Может кто-то вспомнит? Подключайтесь. Попробуем сделать монопропеллентный (сначала) движок на базе закиси азота.

2 a_centaurus:
Напряг человечка,который работал по этой тематике. Возможно, сегодня к вечеру мне пришлют действующую методику получения палладиевой черни.

Muchisssimаs Gracias. Буду ждать.

Итак, методика! Проверенная.
В конической плоскодонной колбе ёмкостью 1л растворяют 10г (56.5ммоль) хлористого палладия в 800 мл нагретой до 80 С дистиллированной воды с несколькими каплями соляной кислоты (хлористый палладий можно растворять непосредственно в небольшом объёме соляной кислоты, а затем выливать в горячую воду, главное потом нормально отнейтрализовать солянку раствором щёлочи). Избыток соляной кислоты нейтрализуют 20% раствором NaOH до pH 7. К горячему раствору при перемешивании на магнитной мешалке по каплям добавляют 1.8 мл муравьиной кислоты и перемешивают в течении 2 мин. Затем приливают 20 мл 20% раствора NaOH до pH 9. После этого к смеси добавляют 1.4 мл муравьиной кислоты до слабо-щелочной реакции по универсальному индикатору. Смесь охлаждают проточной водой, раствор декантируют, осадок палладиевой черни промывают на фильтре 8х50 мл дистиллированной воды (промывать надо хорошо, чтобы отмыть соли, которые могут впоследствии сказаться на активности катализатора)
Катализатор хранят под слоем воды в закрытом сосуде.

Замечательно! Спасибо!
Но это только первая часть "барбезонского балета"... В рецепте отсутствует know how нанесения черни на носитель (1.5-2 мм сферы цеолита или алюмины). Не знает ли твой человечек ответ на вторую часть загадки?

Нет. Ей это и не требовалось. Катализатор работал в реакторе с перемешиванием и барботированием водородом.

Ну что же и на этом спасибо. Будем искать. И пробовать. Эмпирический метод тоже иногда работает .

Может быть попробовать готовый доступный катализатор - каталитические дожигатели для автомобилей?

Насчёт нанесения палладия на носитель у меня точных данных нет, но думаю, вот так будет нормально: пропитать гранулы водным раствором хлорида палладия, высушить, восстановить в токе водорода при нагревании. Думаю, температуры 200-300С должно хватить. В отходящем избытке водорода будет содержаться хлороводород, работать под тягой.

Спасибо за советы. Насчёт автомобильных катализаторов надо посмотреть. Они ведь преобразуют CO в CО2. По моему там никель используется. Будет ли он также эффективен как рекомендованные Ir/Rh, Pt, Zr... Даже Pd там не фигурирует. Просто он у меня в руках. Я думал примерно также относительно нанесения и восстановления палладия до металла на керамике. Вот что я нашёл в одной популярной книге про палладий:
Всё так, как ты предлагаешь, только вместо водного используется слабощелочной раствор. Ну и восстановление в водороде. На самом деле как раз сейчас смотрю присланные мне из Sigma-Aldrich каталоги на катализаторы и там всё это есть готовое. Надо заказывать и ждать. Однако из интереса хотелось бы попробовать самому получить катализатор, раз уж всё под руками. Хочу попробовать также керамическую вату как носитель. И керамический фетр. Толщиной в 3-4 мм. Как думаешь? Второй вопрос по Fe2O3. Она тоже в числе опробованных катализаторов. И тоже под руками. Как нанести её на pellets. Должно быть совсем просто, так как это мелкодисперсный порошок и пачкает всё подряд. Нет ли у тебя идей? А вообще подключайтесь все, кто что-нибудь знает или хочет узнать. Мне тема (моно и бипропеллентный двиг. на закиси) показалась очень интересной и вполне разрешимой.
Прикладываю схему монопропеллента на N2O (из статьи). Собственно такую я и хочу реализовать для начала. Из-за отсутствия необходимого Ir катализатора можем пока попробовать с Фе2О3, цеолитом или ватой и резистором из нихрома. У кого, кстати, есть идеи по такому нагревателю? Учтите, что в потоке газа нагревательный элемент сгорит за доли секунды. У меня есть циркониевая керамика. На ней можно намотать так, чтобы грелся только входной патрубок. До 600ºЦ. Прикладываю фотографии материалов, которые есть в наличии.

Materials

Ну что же, если в них Ir/Rh, то можно посмотреть. Пока в каталогах обнаружил только IrCl3, то есть такой же хлорид. И нанесение на носитель - проблема заказчика. Согласен с твоими доводами по нанесению металла на носитель. Со щелочью и вправду только чернь получается. Проблема в том, что слой металла должен быть достаточно толстым - 1 мкм, поскольку высокая температура в реакторе-камере приводит с испарению его с керамики. Насчёт ваты. Идея уже покрытую каталистом вату набить в керамический контейнер. Как на фото он (контейнер)набит сферами цеолита. Попробую вату пропитать взвесью сурика в чём-нибудь. А в чём?
Какой нибудь растворитель? Может изопропиловый спирт?

Бура будет плавиться при температуре 600ºЦ и смазывать картину. А вот частицы окисла железа могут закрепится в микропорах на гранулах цеолита без всякого связующего. В понедельник попробую. Вата. Вообще-то пока (пока, хотя вероятность негатива больше чем позитива), поставил сетки из нержавейки на вход и выход реактора. Сгорят, конечно. Но вату держать могут. Второй вариант - несколько сфер, затем вата, затем снова сферы на выходе. А может и заморачиваться не надо будет. Вот только что попробовал намотать и испытал нагреватель. Пока просто изолировав его асбестовым шпагатом. Ватт на 600 получился. Потом посчитаю. Но внутренний канал нагрелся до светло-красного каления. Термокупли на 1000º под руками не было, а ИК-термометр зашкаливал на 450º. Асбест сначала повонял (благо уже все ушли), потом стабилизировался. Держал я его включённым (от ЛАТРа) минут 15. Намотка выдержала без проблем. А мотал нихромом 0.3 мм следующим образом. Первые пару витков закрепил анаэробным циановым моментальным клеем. И затем мотал почти виток к витку, закрепляя обмотку через десяток витков. Получилось как на реостате. Один вывод, правда, пропустил через канал, но это было излишне. Асбестовый шнур хорошо изолировал обмотку как электрически, так и термически. В следующем образце буду изолировать слоями: асбест_ вата_асбест_вата. А потом или керамическая труба или стеклотекстолит, для всего реактора. На фото: макет нагревателя.

>Serge77: Честно говоря, не понимаю, зачем там щёлочь
Это я могу разъяснить. Как ты заметил, в той методике, что я дал, тоже используется подщелачивание. Если не подщелачивать, то палладиевая чернь тоже выпадает, только с одним нюансом - она практически не обладает каталитической активностью.

Так там ведь получают чистый порошок металла, поэтому выпадение гидроокиси не имеет значения, она всё равно восстановится формиат-анионом. А если металл нужно нанести на твёрдый носитель, то выпадение гидроокиси в растворе вне носителя - это просто потеря металла.

А вообще действительно способ получения катализатора имеет очень важное значение. Поэтому даже успешное нанесение металла на керамику ещё не гарантирует получение нужной каталитической активности. Это та область, где науки практически нет, сплошное искусство.

Пока изучаю вопрос как о коммерческом приобретении, так и о том самом "искусстве" изготовления катализатора. Американцы называют это "skills" ор "knack"... Пока в каталогах, которые я нашёл только Pt и Pd есть в продаже на носителях. А вот лучший из всех Ir/Rh так же в форме соли. IrCl4 + H2O, например. Скорее всего попробую купить Pt на цеолите или алюмине, а с Pd поиграю сам. Главное -показать работающий прототип. И сейчас не важно, если температура активации у каталиста (Пт, например) будет немного выше, чем у оптимального Shell-405. Попробовал нанести FeO (для первого опыта) взбалтыванием сфер цеолита во взвеси сурика в спирте. Пока ничего путного не вышло, хотя сферы были покрыты красителем после сушки. После прикосновения окись железа осыпалась. Хотя, может это и не страшно. Пусть она себе распределиться между сферами, на их поверхности, застрянет в вате... Важно получить первый результат хотя бы высокотемпературной дескомпозиции закиси. А сферы цеолита, даже без катализатора, будут служить как униформатор теплового поля внутри реактора. Как думаете?

Вопрос к тебе, Serge. Можно ли считать алюминиевый стаканчик из нашего опыта с ГРД не только горючим, но и катализаторным элементом для разложения закиси. Ведь было явное повышение температуры в камере, а значит и более полная диссоциация закиси. По данным DARPA N2O диссоциирует полностью на N2 и О2 при 1650ºC. Это бы мне позволило считать этот тест началом экспериментальной работы по монопропелленту. Можно попробовать медно-никелевую фольгу. Cu/Ni стоят в ряду опробованных для трастера. Есть также платиновая проволока. Её можно было бы попробовать в виде катализаторного элемента, установленного после пироклапана, на входе в канал шашки. В дизайне мотора есть стальная разделительная шайба в которую вставляется клапан. Служит для предупреждения приплавления дюралевого корпуса клапана к нейлоновой шашке. Это в плане - "подобраться к основной теме"

К сожалению не помню, откуда когда-то скачал отчёт DARPA (пдф). Посмотри здесь. Речь шла о ЖРД на N2О/пропане с использованием Shell 405 catalyst.