高速赤外線でより安全な超薬剤推進剤を発見

SpaceXのクルードラゴンカプセルが初の有人ミッション後、8月にフロリダ沖で着水したとき、カプセル内の2人の宇宙飛行士はすぐに降りることができませんでした。外部の技術者たちが、車両の超薬剤スラスターで使用される猛毒燃料ヒドラジンの気化蒸気がないか確認する必要があったからです。今、パデュー大学の燃焼研究者たちが、可視光と赤外線の高速カメラの両方を用いる新技術で、より安全で低毒性の超薬剤推進剤を調査しています。超薬剤とは、互いに接触すると瞬時に着火する物質です。

「超薬剤はアポロ時代から、それ以前からも使用されてきました」と、パデューのAlfred J. McAllister機械工学教授で、推進剤、爆発物、火工品などのエネルギー材料の専門家であるSteven Son氏は言います。「常温で保存でき、混合すると瞬時に着火するため、極低温燃料より汎用性と信頼性が高いのです。」

ロケット工学での使用はよく文書化されていますが、現在の超薬剤燃料は人間が扱うには悪名高いほど危険で、環境にも悪いです。ほとんどの他の超薬剤燃料とは異なり、アンモニアボラン（NH3BH3）は固体材料で、典型的な大気条件下で安定しています。水素密度が高いため、最初は水素の固体貯蔵媒体として開発されました。しかし燃焼研究者たちは最近、その超薬剤特性を発見し、ハイブリッド推進剤の一部として使用できる可能性があります。

「これが実世界で使用される前に、その振る舞いを支配する燃焼科学の基礎を理解しなければなりません」と、パデュー機械工学助教授のChris Goldenstein氏は言います。「可視光と赤外線イメージングを組み合わせた新しいアプローチで燃焼プロセスを特性評価しています。」

赤外線イメージングにより、研究者たちは燃焼プロセス全体を通じて炎の化学組成を見ることができます。「すべての分子は独自のスペクトル指紋を持っています」とGoldenstein氏は言います。「特定の波長の光を探すことで、特定の分子が空間のどこに分布しているかを特定し、燃焼プロセスがどの程度完了しているかを知ることができます。望ましい波長の多くは肉眼では見えず、赤外線イメージングがそれらを見る唯一の方法です。」

反応はわずか数ミリ秒で起こるため、研究者たちは毎秒少なくとも2,000フレーム撮影可能な特殊カメラを使用します。高速ビデオは、驚くべき急速に拡大する緑色の閃光を明らかにし、超薬剤物質の威力を示しています。

「一般に非常に小さなサンプルから始めます」と、パデュー航空宇宙学部の博士課程学生Michael Baier氏は言います。Zucrow Labsで実験を行っています。「アンモニアボランの粉末をわずかに使用し、その上に酸化剤（この場合は白煙硝酸）をマイクロリットル単位で滴下するシリンジがあります。それでもかなり大きな爆発音がします。それら数ミリ秒で点火を特性評価するのに必要なすべてのデータが得られます。」

Son氏は、「赤外線イメージングのおかげで、大量のBO2信号が見られ、驚きました。これはアンモニアボランが、従来のボロン燃料よりもさらに完全燃焼を達成していることを示しています。」

アンモニアボランは従来のヒドラジンベースの超薬剤より低毒性かもしれませんが、すべてのエネルギー材料と同様にかなり危険です。しかしZucrow Labsは1948年以来推進技術を研究しており、エネルギー材料を完全に装備して研究できる学術ラボの数少ない1つです。