I nuovi catalizzatori stampati in 3D ultra-efficienti sono stati sviluppati dai ricercatori della RMIT University di Melbourne, in Australia, i catalizzatori altamente versatili sono convenienti da realizzare e semplici da scalare. Le dimostrazioni di laboratorio del team mostrano che i catalizzatori stampati in 3D potrebbero potenzialmente essere utilizzati per alimentare il volo ipersonico mentre contemporaneamente raffreddano il sistema. La ricerca è pubblicata sulla rivista della Royal Society of Chemistry, Chemical Communications.
Il ricercatore capo Dr. Selvakannan Periasamy ha detto che il loro lavoro ha affrontato una delle maggiori sfide nello sviluppo di velivoli ipersonici: controllare l'incredibile calore che si accumula quando gli aerei volano a più di cinque volte la velocità del suono. I catalizzatori stampati in 3D risultano potenti ed efficienti. "Con un ulteriore sviluppo, speriamo che questa nuova generazione di catalizzatori stampati in 3D ultra-efficienti possa essere utilizzata per trasformare qualsiasi processo industriale in cui il surriscaldamento è una sfida sempre presente" ha dichiarato Periasamy.
Solo pochi aerei sperimentali hanno raggiunto una velocità ipersonica (definita come superiore a Mach 5 - oltre 6.100 km/h o 1,7 km al secondo). In teoria, un aereo ipersonico potrebbe viaggiare da Londra a New York in meno di 90 minuti, ma rimangono molte sfide nello sviluppo del trasporto aereo ipersonico, come i livelli estremi di calore.
Il primo autore e ricercatore di dottorato Roxanne Hubesch ha affermato che l'uso del carburante come refrigerante è stato uno degli approcci sperimentali più promettenti al problema del surriscaldamento. "I combustibili che possono assorbire calore mentre alimentano un aereo sono un obiettivo chiave per gli scienziati, ma questa idea si basa su reazioni chimiche che consumano calore che richiedono catalizzatori altamente efficienti", ha spiegato Hubesch.
"Inoltre, gli scambiatori di calore in cui il carburante entra in contatto con i catalizzatori devono essere il più piccoli possibile, a causa dei vincoli di volume e peso negli aerei ipersonici". Per realizzare i nuovi catalizzatori, il team ha stampato in 3D piccoli scambiatori di calore fatti di leghe metalliche e li ha rivestiti con minerali sintetici noti come zeoliti.
I ricercatori hanno replicato su scala di laboratorio le temperature e le pressioni estreme sperimentate dal carburante a velocità ipersoniche, per testare la funzionalità del loro progetto. Quando le strutture stampate in 3D si riscaldano, parte del metallo si sposta nella struttura della zeolite, un processo cruciale per l'efficienza senza precedenti dei nuovi catalizzatori.
"I nostri catalizzatori stampati in 3D sono come reattori chimici in miniatura e ciò che li rende così incredibilmente efficaci è quel mix di metallo e minerali sintetici", ha dichiarato Hubesch. "È una nuova entusiasmante direzione per la catalisi, ma abbiamo bisogno di ulteriori ricerche per comprendere appieno questo processo e identificare la migliore combinazione di leghe metalliche per il massimo impatto".
I prossimi passi per il team di ricerca del Centro per i Materiali Avanzati e la Chimica Industriale (CAMIC) di RMIT includono l'ottimizzazione dei catalizzatori stampati in 3D studiandoli con tecniche di sincrotrone a raggi X e altri metodi di analisi approfondita. I ricercatori sperano anche di estendere le potenziali applicazioni del lavoro nel controllo dell'inquinamento atmosferico per veicoli e dispositivi in miniatura per migliorare la qualità dell'aria interna, particolarmente importante nella gestione dei virus respiratori presenti nell'aria come COVID-19.
Il direttore del CAMIC, l'illustre professor Suresh Bhargava, ha affermato che l'industria chimica da trilioni di dollari è in gran parte basata sulla vecchia tecnologia catalitica. "Questa terza generazione di catalisi può essere collegata alla stampa 3D per creare nuovi progetti complessi che in precedenza non erano possibili", ha spiegato Bhargava. "I nostri nuovi catalizzatori stampati in 3D rappresentano un approccio radicalmente nuovo che ha un potenziale reale per rivoluzionare il futuro della catalisi in tutto il mondo". I catalizzatori stampati in 3D sono stati prodotti utilizzando la tecnologia Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) nel Digital Manufacturing Facility, parte dell'Advanced Manufacturing Precinct di RMIT.