Chất xúc tác in 3D thế hệ mới mở đường chuyến bay siêu âm

Được phát triển bởi nhóm nhà nghiên cứu Học viện Công nghệ Hoàng gia Melbourne (RMIT, Australia), chất xúc tác rất linh hoạt này có hiệu quả về chi phí để chế tạo và dễ mở rộng quy mô. Những cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm của nhóm cho thấy chất xúc tác in 3D có khả năng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho chuyến bay siêu âm, đồng thời làm mát hệ thống. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Hóa học Hiệp hội Hoàng gia, (Chemical Communications).

Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Selvakannan Periasamy, cho biết nghiên cứu của họ giúp giải quyết một trong những thách thức lớn nhất trong quá trình phát triển máy bay siêu thanh: kiểm soát sức nóng đáng kinh ngạc tích tụ khi máy bay bay với tốc độ gấp 5 lần tốc độ âm thanh.

Periasamy nói: “Loạt thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy chất xúc tác in 3D mà chúng tôi phát triển có hứa hẹn lớn để thúc đẩy tương lai của chuyến bay siêu âm. Mạnh mẽ và hiệu quả, chúng cung cấp giải pháp tiềm năng thú vị để quản lý nhiệt trong hàng không - và hơn thế nữa. Với sự phát triển hơn nữa, chúng tôi hy vọng thế hệ xúc tác in 3D siêu hiệu quả mới này có thể được sử dụng để biến đổi bất kỳ quy trình công nghiệp nào mà quá nóng là một thách thức chưa từng có”.

Chỉ có một số máy bay thử nghiệm đạt tốc độ siêu âm (được định nghĩa là trên Mach 5 - trên 6.100km/giờ hoặc 1,7km/giây). Về lý thuyết, một máy bay siêu thanh có thể di chuyển từ London đến Sydney trong 4 giờ nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong quá trình phát triển phương tiện bay siêu thanh, chẳng hạn như mức nhiệt khắc nghiệt. Tác giả đầu tiên và nhà nghiên cứu Roxanne Hubesch cho biết sử dụng nhiên liệu sản xuất chất làm mát là một trong những cách tiếp cận thử nghiệm hứa hẹn nhất đối với vấn đề quá nhiệt.

Hubesch bình luận: “Nhiên liệu có thể hấp thụ nhiệt khi cung cấp năng lượng cho máy bay là trọng tâm của giới khoa học, nhưng ý tưởng dựa trên loạt phản ứng hóa học tiêu thụ nhiệt cần chất xúc tác hiệu quả cao. Ngoài ra, hệ thống trao đổi nhiệt nơi nhiên liệu tiếp xúc với chất xúc tác phải càng nhỏ càng tốt, vì một số hạn chế về khối lượng và trọng lượng trong máy bay siêu thanh”.

Để tạo ra chất xúc tác mới, nhóm nghiên cứu in 3D các bộ trao đổi nhiệt nhỏ bằng hợp kim kim loại và phủ chúng bằng khoáng chất tổng hợp được gọi là zeolit. Nhóm nhà nghiên cứu tái tạo ở quy mô phòng thí nghiệm nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt mà nhiên liệu phải trải qua ở tốc độ siêu âm, để kiểm tra chức năng của thiết kế của chúng.

Khi cấu trúc in 3D nóng lên, một số kim loại di chuyển vào khung zeolit - một quá trình quan trọng đối với hiệu quả chưa từng có của chất xúc tác mới. Hubesch giải thích: “Chất xúc tác in 3D của chúng tôi giống như những lò phản ứng hóa học thu nhỏ và điều khiến chúng trở nên vô cùng hiệu quả là hỗn hợp kim loại và khoáng chất tổng hợp. Đó là một hướng mới thú vị cho xúc tác, nhưng chúng tôi cần nghiên cứu thêm để hiểu đầy đủ về quá trình này và xác định sự kết hợp tốt nhất của các hợp kim kim loại để có tác động lớn nhất”.

Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu từ Trung tâm Vật liệu Tiên tiến và Hóa học Công nghiệp (CAMIC) của RMIT bao gồm việc tối ưu hóa chất xúc tác in 3D bằng cách nghiên cứu chúng với kỹ thuật synctron tia X và một số phương pháp phân tích chuyên sâu khác. Nhóm nghiên cứu cũng hy vọng sẽ mở rộng ứng dụng tiềm năng của công trình vào việc kiểm soát ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông và các thiết bị thu nhỏ để cải thiện chất lượng không khí trong nhà.

Giám đốc CAMIC, Giáo sư Suresh Bhargava, nhận định ngành công nghiệp hóa chất trị giá hàng nghìn tỷ USD chủ yếu dựa trên công nghệ xúc tác cũ. Bhargava bình luận: “Thế hệ xúc tác thứ 3 này được liên kết với công nghệ in 3D để tạo ra một số thiết kế phức tạp mới mà trước đây không thể thực hiện được. Chất xúc tác in 3D mới của chúng tôi đại diện cho một cách tiếp cận mới triệt để có tiềm năng thực sự để cách mạng hóa tương lai của xúc tác trên toàn thế giới”.

Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Maciej Mazur từ Trung tâm Sản xuất Phụ gia RMIT, cho biết công trình này là một ví dụ mạnh mẽ về sự đổi mới có thể thực hiện được thông qua sự hợp tác giữa các ngành. Mazur nói: “Việc kết hợp sản xuất phụ gia với khoa học hóa học đã tạo ra những kết quả đột phá”.