Katalysatorbeschichtete 3D-gedruckte Legierungen könnten die Hitze für Hyperschall schlagen

Die Forschung des RMIT Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry könnte den Weg für neue 3D-gedruckte Wärmetauscher mit Nützlichkeit in Hyperschallfahrzeugen, Luftreinigung und anderswo ebnen. Wir haben mit der Doktorandin Roxanne Hubesch über den Durchbruch ihres Teams gesprochen.

Das Versprechen des Hyperschallflugs ist aufregend, aber die unbeantworteten wissenschaftlichen und technischen Fragen, die es ermöglichen, sind nicht trivial.

Einer der großen ist der Umgang mit extremen Temperaturen. Laut einem Forscher, die Luftreibung für ein Objekt, das sich mit Mach 5 bewegt (der Geschwindigkeit, bei der Überschall zu Überschall wird) wird die Oberflächentemperatur der Vorderkante auf 1.000 Grad Celsius erreichen.

Um die Wärmeentwicklung in Motoren zu kontrollieren, werden seit langem Möglichkeiten untersucht, Kraftstoffe als Kühlmittel einzusetzen.

Die Forschung zu „endothermen“ (wärmeabsorbierenden) Reaktionen beim Cracken von Kraftstoffen reicht bis in die 1960er Jahre zurück, wie uns die RMIT-Doktorandin Roxanne Hubesch berichtet.

Hubesch war Erstautor eines in diesem Monat veröffentlichten Artikels über einen neuen Ansatz, bei dem Zeolith-Katalysatorbeschichtungen auf 3D-gedruckten Wärmetauschern verwendet werden. Dabei wurden Zeolithe auf Inconel-Gittern verwendet, um die Temperaturregelung beim Aufbrechen von Kohlenwasserstoffen in kleinere Moleküle zu unterstützen, mit vielversprechenden ersten Ergebnissen.

Wir haben mit Hubesch gesprochen über die unerwarteten Erkenntnisse, veröffentlicht in Chemische Kommunikation, und das aufstrebende Gebiet, das Katalysatoren mit 3D-gedruckten Strukturen kombiniert.

@AuManufacturing: Was ist der Hintergrund dieser Forschung?

Roxanne Hubesch: Ich präsentiere mich schnell. Ich komme aus Belgien, wo ich meinen Bachelor und Master in Chemie gemacht habe. Und dann zog ich nach Australien, um in angewandter Chemie zu promovieren.

Ich hatte bereits frühere Arbeiten zum katalytischen Cracken in verschiedenen Anwendungen in Belgien gemacht, aber es handelt sich im Grunde um die gleiche Art von chemischen Reaktionen. Das Labor hier hat bereits einige Forschungen in der Kohlenwasserstoffchemie betrieben, und so kam ich in das Gebiet des katalytischen Crackens für Hyperschallfluganwendungen.

Als ich zu RMIT kam, war ein anderes Projekt im Gange, das den Bau eines Reaktors erforderte. Ich hatte das Gefühl, dass dies eine gute Gelegenheit für mich wäre, denselben Reaktor für mein Promotionsprojekt zu verwenden, um die gleichen Bedingungen wie Hyperschallflugzeuge zu replizieren, die einen hohen Druck und eine hohe Temperatur erfordern. Die typischen Bedingungen, unter denen Sie arbeiten müssen, liegen im Bereich von 40 bar und 500 Grad C. Dafür benötigen Sie eine spezielle Ausrüstung. Ich hatte also das Gefühl, dass ich in diesem Bereich arbeiten kann, wenn wir diese Fähigkeiten hier haben. Also habe ich angefangen, den Reaktor zu bauen. Suresh Bhargava, mein Senior Supervisor und auch Direktor von CAMIC (Centre for Advanced Materials and Industrial Chemistry.) hatte bereits gearbeitet in Zusammenarbeit mit Milan Brandt, der das AMP . leitet, und verfügt über Erfahrung im 3D-Druck. Suresh und Milan hatten vor rund acht Jahren die Idee, additive Fertigung und chemische Wissenschaft zu verbinden. Sie veröffentlichten 2017 eine Übersicht über additive Fertigung und chemische Wissenschaften, die als heißes Thema erklärt wurde. Auf dem Weg dorthin hatte ich einfach das Gefühl, warum nicht 3D-gedruckte Stützen anwenden, sondern im Rahmen meiner Arbeit? Und so bin ich im Grunde dazu gekommen. Es sind verschiedene Richtungen und Kooperationen, die mich dorthin geführt haben. Anfangs arbeitete ich im Rahmen meiner Doktorarbeit nur mit reinen Katalysatoren, und dann entschieden wir uns, einige Katalysatoren, die ich zuvor untersucht hatte, auf 3D-gedruckte Träger zu beschichten, und wir stellten fest, dass wir tatsächlich eine erstaunliche katalytische Umwandlung erreichten. Erstaunliche Ergebnisse, erstaunliche Kühlung, die wir überhaupt nicht vermutet haben. Deshalb haben wir die Arbeit als Mitteilung veröffentlicht, was nicht der typische wissenschaftliche Forschungsartikel ist. Es ist ein kürzerer Artikel, den Sie veröffentlichen, wenn Sie hervorragende Ergebnisse erzielen und eine schnelle Veröffentlichung benötigen; Wenn Ihre Ergebnisse schnell verfolgt werden müssen, verwenden Sie normalerweise Communications.

Bild: Lockheed Martin

@AuManufacturing: Der Wortlaut in der Zusammenfassung deutete darauf hin, dass das Ergebnis höchstwahrscheinlich auf die Übertragung von Chrom in den Katalysator zurückzuführen war, aber Sie waren sich nicht ganz sicher.

Roxanne Hubesch: Jawohl. Wir haben ein paar Metalle ausgeschlossen und ein paar Dinge, von denen wir wissen, dass sie nicht passieren können. Wir vermuten jedoch, dass Chrom in der Inconel-Legierung enthalten ist, die zum 3D-Drucken des Trägers verwendet wird. Wir haben die Oberfläche charakterisiert und vermuten, dass es kleine Chrompartikel vom 3D-gedruckten Träger sind, die in die Katalysatorpartikel gewandert wären. Diese beiden kombinierten würden in Synergie arbeiten, um Wasserstoff in großen Mengen zu produzieren. Und weil die Produktion von Wasserstoff wirklich endotherm ist, also stark abkühlt, konnten wir ihn erfolgreich auf mögliche Kühlanwendungen anwenden. Als nächsten Schritt bereiten wir jetzt unsere Proben für den Versand nach Japan vor, um sie mit einigen Synchrotron-Techniken zu analysieren, die es uns ermöglichen zu verstehen, welches Metall sich wo auf der Oberfläche befindet und was die Ursache für diesen Katalysator-3D-gedruckte Metallträger ist Synergie. Es ist nur der Anfang.

@AuManufacturing: Also war es ein glücklicher Zufall?

Roxanne Hubesch: In gewisser Weise war es das. Zunächst wollten wir sehen, ob es uns gelingt, Katalysatoren auf den 3D-gedruckten Träger zu auftragen und ob dies etwas ändern würde. Wir hofften, dass dies eine gute Anwendung für den Hyperschallflug wäre. Wenn Sie effiziente Wärmetauscher für Hyperschallflugzeuge entwickeln wollen, müssen sie wirklich kompakt sein. Das Volumen des Wärmetauschers ist sehr wichtig, aber auch seine Effizienz, da Sie viel Primärbrennstoff in einen gut brennbaren Sekundärbrennstoff umwandeln müssen und auch eine wirklich gute Kühlwirkung haben. Deshalb haben wir uns entschieden: ‘Lass es uns versuchen.’ Wir hatten keine Ahnung, was funktionieren würde oder nicht.

@AuManufacturing: Wir haben uns sehr für Hyperschall in Australien interessiert, mit einigen verteidigungsunterstützten Arbeiten in den letzten Jahren, einigem Fachwissen und Einrichtungen in Brisbane und einem hochkarätigen Startup. Haben Sie viele Anfragen gesehen, nachdem Sie Ihre Arbeit veröffentlicht haben?

Roxanne Hubesch: Der Artikel ist nur erschienen [this month]. In Bezug auf die Forschung und die wissenschaftliche Gemeinschaft würde ich sagen, dass viele Leute von den veröffentlichten Ergebnissen wirklich erstaunt sind. Bei Anwendungen für Luft- und Raumfahrt denke ich etwas weniger. Dieser Artikel wird aus chemischer Sicht betrachtet. Die Luft- und Raumfahrt ist zu 100 Prozent ein Ingenieurbereich, und hier kommen einige chemische Reaktionen, die im Herzen von Wärmetauschern für Flugzeuge ablaufen. Es kann in den Ingenieurwissenschaften behandelt werden, aber in Bezug auf die Erforschung der Gründe, warum dies funktioniert, gibt es viel Chemiehintergrund zu verstehen. Und ich denke, dass in einigen dieser Bereiche multidisziplinäre Ansätze manchmal etwas schwierig zu handhaben sind. Diesbezüglich wurde ich noch nicht angesprochen.

Wir haben kleine 3D-gedruckte Stützen verwendet, um sie in unseren Reaktoren im Labormaßstab zu testen, und die gleichen Bedingungen des Kraftstoffdurchgangs in einem Wärmetauscher in einem Hyperschallflugzeug nachgebildet, aber noch nicht skaliert. Unsere 3D-gedruckten Stützen sind nur wenige Zentimeter groß.

Der nächste Schritt wäre auch, verschiedene Kraftstoffe auszuprobieren, denn wir haben einen Ersatzkraftstoff verwendet, den wir in unseren Laboren verwenden, aber dieser Ersatzkraftstoff wird möglicherweise in der Realität nicht verwendet. Dies ist also nur der erste Schritt.

Auch im Bereich der Kühlung wurden verschiedene Ansätze untersucht, nicht nur beim katalytischen Cracken des Kraftstoffs, und das ist vielleicht auch der Grund, warum die Leute immer noch ein wenig verwirrt sind.

Bild: RMIT

@AuManufacturing: Ich habe diese Forschung für Hyperschall- und Überschallflug gesehen Kraftstoff als Kühlmittel verwenden, wie bei der Blackbird, geht weit zurück.

Roxanne Hubesch: Die ersten Artikel mit Kraftstoffen als Kühlmittel stammen tatsächlich aus den 60er Jahren. Aber das Hauptproblem ist die Nachhaltigkeit des Ansatzes. Ihr Kühlsystem muss nachhaltig sein, es kann nicht nur zehn Minuten lang funktionieren. Und das ist bisher das Problem – die von uns entwickelten Kühlkonzepte funktionieren technisch, aber sie funktionieren nur für eine kurze Zeit. Deshalb brauchen wir auch mehr Arbeit in unserem System, das 3D-Druck und Katalysatoren kombiniert. Vielleicht würden sich Kohlenstoffablagerungen aus dem Kraftstoff auf eine Weise ablagern, in der er für lange Zeit nicht funktionieren könnte. Es gibt so viele technische Probleme, die man sehr geschickt kombinieren muss. Ich denke, deshalb gibt es nach 50 oder 60 Jahren immer noch keine wirkliche Anwendung von Hyperschallebenen. Es gibt so viele Probleme, die es zu lösen gilt und die gemeinsam angegangen werden müssen, um sie zu überwinden und nachhaltige Hyperschallflugzeuge Wirklichkeit werden zu lassen.

@AuManufacturing: Und es gibt so viele Dinge, die nur bis zu einem bestimmten Punkt modelliert und verstanden werden können und dann ist es Vermutungen. So habe ich es zumindest gehört.

Roxanne Hubesch: Es ist wahr. Ich habe zwei Jahre in der chemischen Verfahrenstechnik in Belgien geforscht, bevor ich hierher gekommen bin. Durch die Zusammenarbeit mit Ingenieuren wurde mir klar, dass sie gerne Modelle, Trends und Funktionen auf viele Zahlen oder experimentelle Daten anwenden. Aber manchmal ist das, was hinter den Zahlen steckt, viel komplexer und es passieren viel mehr Dinge, als wir erwarten. Manchmal ist die Forschung auch in einigen Bereichen noch relativ begrenzt, in denen möglicherweise ein Phänomen auftreten kann, das wir nicht kennen oder das wir nicht richtig modellieren können, was bedeutet, dass wir nicht richtig vorhersagen können. Es gibt so viele verschiedene Details und Ansätze, dass es noch sehr schwierig ist, sie zu entwickeln. Wir hoffen, dass unser Ansatz zumindest in die richtige Richtung hilft.

Obwohl ich zwei Jahre Chemieingenieurwesen im Hintergrund habe, bin ich kein Ingenieur. Meine Expertise und mein Interesse sind wirklich zu verstehen, was zwischen dem Katalysator und dem 3D-gedruckten Träger passiert. Wir könnten dies auf größere Träger hochskalieren, größere Reaktoren bauen, um es zum Beispiel zu testen, aber am Ende des Tages war es mein wahres Interesse, den Mechanismus hinter dieser Katalysator-3D-gedruckten Trägersynergie und seiner erstaunlichen katalytischen Umwandlung zu verstehen. Ich würde sagen, wenn wir dies skalieren und in Bezug auf Hyperschall-Fluganwendungen weiter testen wollen, dann müssten wir wirklich mit einigen Luft- und Raumfahrttechniklaboren zusammenarbeiten, um die verschiedenen Parameter und Bedingungen zu testen und zu verstehen, die sie für ihre Modellierung benötigen. Ich denke, das ist das Beste, was ich sagen kann.

Wir denken auch, dass diese Arbeit andere Anwendungen haben könnte. Wir denken zum Beispiel an die Luftreinigung oder jede Branche, die Kühlung benötigt. Es wären nicht nur Hyperschallflugzeuge. Ich weiß, dass sich der von der Universität veröffentlichte Artikel sehr viel mit Hyperschallflugzeugen beschäftigt, aber er könnte auf andere Dinge ausgedehnt werden.

@AuManufacturing: Ist die Kombination von 3D-Druck mit Katalysatoren ein schnelllebiges Feld mit viel Potenzial?

Roxanne Hubesch: Es ist definitiv ein heißes Thema. Kürzlich wurde in einer der größten Zeitschriften der chemischen Wissenschaft eine Übersicht über die additive Fertigung in der Katalyse veröffentlicht. Es ist ein relativ neues Feld, ich würde sagen, dass in den letzten fünf bis zehn Jahren die ersten Artikel entstanden sind. Aber die wenigen Artikel in der Literatur sind im Moment nur 3D-gedruckte Träger, die als solche verwendet werden. Sie wurden nicht geändert. Wir sind die ersten, die tatsächlich Katalysatoren abscheiden und es so versuchen.

Ich denke, dass 3D-gedruckte Träger für Katalysatoren eine wirklich gute Anwendung sein könnten. Im Rahmen von Hyperschallflugzeugen wären sie sehr wichtig, da Wärmetauscher sehr klein sein müssen und die konventionelle Fertigung dafür ein Problem wäre. In dieser Hinsicht wird 3D-Druck benötigt. Aber ich habe das Gefühl, dass dies für viele verschiedene Anwendungen, bei denen Sie wirklich kleine Abmessungen und wirklich definierte Geometrien benötigen, auch nützlich wäre. Der 3D-Druck ist auch in Bezug auf die Katalyse interessant, da der 3D-Druck eine wirklich raue Oberfläche erzeugen kann, was für die Katalyse sehr wichtig ist, da Sie dadurch Ihre Oberfläche vergrößern und sich auch die strukturellen Eigenschaften von herkömmlichen Trägern unterscheiden.

Wir könnten dies wirklich auf so viele verschiedene Bereiche anwenden. Bei der Kühlung denken wir aber auch an Luftreinigungsgeräte oder den Einsatz von Photokatalyse mit polymergedruckten Materialien. Jetzt wissen wir, dass es funktioniert, wir können dies auch für viele andere Anwendungen ausprobieren.

(Dieses Interview wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit leicht bearbeitet.)

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