Il perossido di idrogeno come "propellente verde"

Il perossido di idrogeno come propellente verde"

L'utilizzo di propellenti per la propulsione a razzo definiti verdi" green propellant), caratterizzati da una bassa tossicità e da una certa facilità nello stoccaggio, recentemente ha acquisito particolare auge per la possibilità di ridurre in modo sostanzioso i costi legati alla loro manipolazione, soprattutto nello sviluppo di motori con bassa o media spinta.

I propellenti verdi", infatti, hanno come principale vantaggio rispetto a propellenti più pericolosi, come ad esempio il tetrossido di azoto e l'idrazina, quello di semplificare in modo rilevante tutte le procedure di produzione, manipolazione e stoccaggio per quanto riguarda la sicurezza e l'incolumità del personale che se ne occupa.

Tra questi propellenti, il perossido di idrogeno evidenzia alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente attraente. Può essere utilizzato sia come monopropellente, con impulsi specifici non particolarmente elevati, sia come comburente in razzi bipropellente gli impulsi specifici in questo caso dipendono dal tipo di combustibile utilizzato e possono essere paragonabili agli impulsi specifici della coppia tetrossido di azoto e idrazina .

Nei propulsori bipropellenti come anche del resto nei monopropellenti a perossido di idrogeno, il propellente solitamente viene decomposto in un catalizzatore. Questo elemento del motore determina il corretto funzionamento di tutto il sistema e per questo i principali sforzi tecnologici sono orientati alla realizzazione di letti catalitici in grado di garantire una vita operativa lunga e delle prestazioni efficienti e ripetibili. Nella decomposizione il perossido di idrogeno libera ossigeno che può essere quindi utilizzato per ossidare un carburante.

. I vantaggi del perossido di idrogeno

Il perossido di idrogeno, utilizzato come monopropellente, cioè sfruttando direttamente i gas a temperatura intorno ai C che si formano nella decomposizione catalitica, non spicca per le sue prestazioni ma presenta alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente attraente come l elevata densità, la immagazzinabilità e la bassa tossicit .

Confrontando infatti, l'impulso specifico del perossido di idrogeno utilizzato come monopropellente con quello dell idrazina (sostanza che può essere presa come utile termine di paragone date le sue elevate prestazioni come monopropellente immagazzinabile) si può notare come le prestazioni del perossido di idrogeno siano marcatamente inferiori Figura . Questo svantaggio, per , può essere ampiamente compensato dalla riduzione dei costi nella sua gestione qualora lo scopo della missione sia maggiormente legato alla riduzione dei costi piuttosto che alla massimizzazione delle prestazioni.

Figura 1 Impulso specifico nel vuoto dell'idrazina e del perossido di idrogeno a varie concentrazioni in funzione del rapporto di espansione dell'ugello (Ventura & Muellens,

Come ossidante ha caratteristiche paragonabili agli altri comburenti liquidi ad esempio tetrossido di azoto, acido nitrico e ossigeno liquido)(Figura . Nel caso particolare di utilizzo di propellenti immagazzinabili è utile evidenziare come l'impulso specifico della coppia HP-idrocarburi sia paragonabile con quello della coppia MMH/NTO utile termine di paragone).

Figura 1.2Impulso specifico nel vuoto in razzi bipropellenti: confronto tra il perossido di idrogeno a varie concentrazioni ed altri ossidanti in combinazione con vari combustibili (Ventura & Muellens,

Tetrossido di azoto (NTO) e idrazina (N2H , MMH e UDMH) sono correntemente la scelta usuale come propellenti immagazzinabili per le loro prestazioni superiori. Valori tipici delle prestazioni di tali propellenti sono riassunte in Figure . L'idrazina però è estremamente tossica e cancerogena, presenta inoltre rischi di detonazione se esposta a variazioni ampie e veloci di pressione e temperatura dipendentemente dalle condizioni di contaminazione. Sistemi satellitari spinti ad idrazina devono quindi essere progettati con misure adeguate a prevenire tali rischi. Le operazioni a terra sono anch esse soggette a procedure di sicurezza estremamente restrittive con specifiche

_{infrastrutture (Figure 4 ) risultanti in costi piuttosto sostenuti.}

Figure 3 Temperatura di fiamma (sinistra) e impulso specifico (destra) Vs rapporto di miscelamento per reazione adiabatica a 5 Mpa e espansione congelata a 8 kPa per NTO N O N H

MMH, UDMH.

Figure 4 Valutazione storica del costo del carburante Vs costo del payload per missioni spaziali.

Anche nei razzi ibridi le sue caratteristiche sono paragonabili agli altri ossidanti (Figura

Figura Impulso specifico nel vuoto in razzi ibridi: confronto tra il perossido di idrogeno ed altri ossidanti (Ventura & Muellens,

Il perossido di idrogeno ad alta concentrazione, per , data la sua elevata densit , presenta valori dell impulso specifico volumetrico maggiori di tanti altri propellenti (Figura

Figura 6 Impulso specifico volumetrico ideale per vari bipropellenti in funzione del rapporto di miscela ossidante combustibile.

Un elevato impulso specifico volumetrico significa una sostanziosa riduzione del volume dei serbatoi dell ossidante e di conseguenza della massa secca del motore. Questo è particolarmente interessante nel caso in cui interessi la minimizzazione del volume o la riduzione delle forze aerodinamiche che si può ottenere attraverso una riduzione della sezione frontale del razzo dovuta all'utilizzo di serbatoi più piccoli.

Il perossido di idrogeno con opportuni accorgimenti può essere stoccato anche per lunghi periodi. A temperatura ambiente, 0 C, è allo stato liquido e permane in esso per un ampio intervallo di temperature attorno ad essa. Non è quindi criogenico e ciò lo rende un ottima scelta in missioni orbitali caratterizzate eventualmente anche da lunghi periodi di non utilizzo dei motori.

La gestione a terra del propellente è un altro punto a vantaggio del HP. Comunemente è considerato non tossico" in quanto il contatto per inalazione con la sostanza è meno pericoloso di altri propellenti perché il perossido di idrogeno si decompone in sostanze non tossiche. Presenta una pressione di vapore molto bassa e questo riduce la quantità di vapore che può essere introdotta nel corpo umano per inalazione. Il corpo umano, inoltre, produce normalmente piccoli quantitativi di perossido di idrogeno ed è in grado di decomporlo attraverso enzimi in sostanze non pericolose acqua ed ossigeno . Altri propellenti sono, come l'idrazina e i suoi derivati (MMH e UDMH , estremamente tossici, cancerogeni, pericolosi ed esplosivi o presentano indesiderate caratteristiche come il tetrossido di azoto che, data la sua elevata pressione di vapore, produce abbondanti fumi nocivi sia all esposizione che all inalazione.

Sempre dal punto di vista propulsivo, l'HP può essere utilizzato come fluido refrigerante in sistemi rigenerativi data la sua elevata capacità termica.