Разработанные исследователями из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, высокоэффективные катализаторы экономичны в изготовлении и просты в масштабировании.

Лабораторные демонстрации команды показывают, что катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, потенциально могут быть использованы для обеспечения гиперзвукового полета при одновременном охлаждении системы.

Исследование опубликовано в журнале Королевского химического общества, Химические коммуникации.

Ведущий исследователь доктор Сельваканнан Периасами сказал, что их работа позволила решить одну из самых больших проблем в разработке гиперзвуковых летательных аппаратов: контролировать невероятное тепло, которое накапливается, когда самолеты летят со скоростью, более чем в пять раз превышающей скорость звука.

"Наши лабораторные тесты показывают, что разработанные нами катализаторы с 3D-печатью имеют большие перспективы для обеспечения будущего гиперзвукового полета", - сказал Периасами.

"Мощные и эффективные, они предлагают захватывающее потенциальное решение для управления температурой в авиации и за ее пределами.

"При дальнейшем развитии мы надеемся, что это новое поколение сверхэффективных катализаторов, напечатанных на 3D-принтере, может быть использовано для преобразования любого промышленного процесса, где перегрев является постоянной проблемой".

Жажда скорости

Лишь несколько экспериментальных самолетов достигли гиперзвуковой скорости (определяемой как выше 5 Маха - более 6100 км в час или 1,7 км в секунду).

Теоретически гиперзвуковой летательный аппарат может долететь из Лондона в Нью-Йорк менее чем за 90 минут, но при разработке гиперзвуковых авиаперевозок остается много проблем, таких как экстремальные уровни тепла.

Первый автор и исследователь PhD Роксана Хубеш сказала, что использование топлива в качестве охлаждающей жидкости было одним из наиболее перспективных экспериментальных подходов к проблеме перегрева.

"Топливо, способное поглощать тепло при питании самолета, является ключевым направлением для ученых, но эта идея основана на химических реакциях, требующих высокой эффективности катализаторов", - сказал Хубеш.

"Кроме того, теплообменники, в которых топливо вступает в контакт с катализаторами, должны быть как можно меньше из-за жестких ограничений по объему и весу в гиперзвуковых самолетах".

Чтобы создать новые катализаторы, команда напечатала на 3D-принтере крошечные теплообменники из металлических сплавов и покрыла их синтетическими минералами, известными как цеолиты.

Исследователи воспроизвели в лабораторном масштабе экстремальные температуры и давления, испытываемые топливом на гиперзвуковых скоростях, чтобы проверить функциональность своей конструкции.

Миниатюрные химические реакторы

Когда 3D-печатные структуры нагреваются, часть металла переходит в цеолитный каркас - процесс, имеющий решающее значение для беспрецедентной эффективности новых катализаторов.

"Наши катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, похожи на миниатюрные химические реакторы, и что делает их такими невероятно эффективными, так это сочетание металла и синтетических минералов", - сказал Хубеш.

"Это захватывающее новое направление катализа, но нам нужны дополнительные исследования, чтобы полностью понять этот процесс и определить наилучшую комбинацию металлических сплавов для достижения наибольшего эффекта".

Следующие шаги исследовательской группы из Центра перспективных материалов и промышленной химии RMIT (CAMIC) включают оптимизацию катализаторов, напечатанных на 3D-принтере, путем их изучения с помощью рентгеновской синхротронной техники и других методов углубленного анализа.

Исследователи также надеются расширить возможности применения этой работы в борьбе с загрязнением воздуха для транспортных средств и миниатюрных устройств для улучшения качества воздуха в помещениях, что особенно важно при борьбе с воздушно-капельными респираторными вирусами, такими как COVID-19.

Директор CAMIC, заслуженный профессор Суреш Бхаргава, сказал, что химическая промышленность стоимостью в триллион долларов в значительной степени основана на старых каталитических технологиях.

"Это третье поколение катализа может быть связано с 3D-печатью для создания новых сложных конструкций, которые ранее были невозможны", - сказал Бхаргава.

"Наши новые катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, представляют собой радикально новый подход, который обладает реальным потенциалом революционизировать будущее катализа во всем мире".

Катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, были изготовлены с использованием технологии лазерного синтеза в порошковом слое (L-PBF) на цифровом производственном объекте, входящем в состав передового производственного участка RMIT.