Desenvolvimento de microrreator catalítico para aplicação em propulsão operando com etanol

Abstract

A recente tendência da miniaturização de satélites tem requerido sistemas mais rápidos, econômicos e de menores tamanhos devido à grande variedade que esses sistemas complexos podem oferecer. Contudo, miniaturizar os componentes de um sistema de propulsão é desafiador, pois a intensificação da transferência de calor na câmara de combustão do reator pode ocasionar a extinção da chama devido ao aumento substancial da razão área/volume. Desta forma, um catalisador depositado sobre a parede interna de uma câmara de combustão pode superar essas barreiras, reduzindo a energia de ativação e permitindo que reações ocorram em temperaturas mais baixas. Adicionalmente, o etanol tem chamado a atenção por apresentar baixo custo, por não ter efeitos adversos ao meio ambiente e por possuir menores efeitos nocivos quando comparado à hidrazina que ainda é muito utilizada como propelente. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um microrreator catalítico para aplicação em propulsão operando com etanol. O reator foi construído com um tubo de alumina revestido internamente com partículas de alumina de 0,5 µm de diâmetro. Platina (Pt) foi utilizada como catalisador. Caracterizações em Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo (MEV-FEG) e por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) foram realizadas. A influência do teor mássico da pasta no recobrimento interno do tubo foi estudada e foi observado que duas etapas de aplicação da pasta de 30% apresentou uma espessura de 2,16±0,28 µm, obtendo total recobrimento da superfície analisada. O processo de impregnação da fase ativa da Pt ocorreu dentro do esperado, podendo ser observada sua dispersão através de EDS. Condição com razão de equivalência mais próxima à estequiométrica atingiu 96% de conversão de etanol e formou compostos oxigenados quando comparadas às mais ricas em combustível. Empuxo e impulso específico ideais máximos calculados com os dados obtidos experimentalmente foram de 3,2 mN e 129 s, respectivamente.

Abstract : The recent trend of satellites miniaturization has required faster, economical and smaller sizes due to the wide variety that these complex systems can offer. However, miniaturizing components of a satellite propulsion system is challenging since the intensification of the heat transfer in the combustion chamber of the reactor can cause flame extinction due to a substantial increase in the area/volume ratio. In this way, a catalyst deposited on the inner wall of a combustion chamber can overcome these barriers, reducing the activation energy and allowing reactions to occur at lower temperatures. In addition, ethanol has attracted attention due to its low cost, as it has no adverse effects on the environment and because of its lower harmful effects when compared to hydrazine, which is still widely used as propellant. This work aimed at developing a catalytic microreactor for application in propulsion with ethanol. The microreactor was designed with alumina tube internally coated with alumina diameter particle of 0.5 µm. Platinum (Pt) was used as catalyst. Characterization in Scanning Electron Microscopy equipped with Field Emission Gun and Dispersive Energy Spectroscopy were performed. The influence of the mass content of the slurry on the internal coating of the tube was studied and it was observed that two steps of application of the 30% slurry presented a thickness of 2.16±0.28 µm, obtaining total coating of the surface. Impregnation process of the active phase of Pt occurred within the expected, and its dispersion could be observed through EDS analysis. Equivalence ratio closer to the stoichiometric condition reached 96% ethanol conversion and has formed oxygenated compounds when compared to the fuel richer ones. Maximum ideal thrust and specific impulse calculated with experimental data were 3.2 mN and 129 s, respectively.