Synthese und Charakterisierung neuer hypergoler Raumfahrttreibstoffe basierend auf ionischen Flüssigkeiten mit Thiocyanatanionen als Brennstoffe und Wasserstoffperoxid als Oxidator

Kurzfassung

Hydrazin und seine Derivate finden in Kombination mit Stickstoffoxiden trotz der toxikologischen Defizite dieser Substanzen noch immer vielfältige Anwendung als Treibstoffe in der Raumfahrt. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer, grüner Raumfahrttreibstoffe. Im Fokus der Untersuchungen stehen ionische Flüssigkeiten mit Thiocyanatanionen als Brennstoffe und hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel. Die wichtigsten Rahmenbedingungen bei der Entwicklung der neuartigen Treibstoffe sind, dass diese weder katalytisch wirkende Übergangsmetalle oder Bor, die zu festen Verbrennungsprodukten führen würden, noch luft- und feuchtigkeitsempfindliche hydridhaltige Komponenten enthalten sollen. Es werden 19 ionische Flüssigkeiten (ILs) als potenzielle Brennstoffkandidaten ausgewählt und synthetisiert. Die Charakterisierung erfolgt mittels Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot- (IR) Spektroskopie sowie Einkristalldiffraktometrie. Außerdem wird der Wassergehalt durch volumetrische oder coulometrische Karl-Fischer-Titration gemessen und die Reinheit der Substanzen durch Ionenchromatographie bestimmt. Des Weiteren werden physikalische Eigenschaften wie die Dichte und die Viskosität der Substanzen ermittelt. Thermische Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Zersetzungstemperatur werden durch simultane Thermogravimetrie- (TG) und Dynamische Differenzkalorimetrie- (DSC) Analysen untersucht. Die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der ionischen Flüssigkeiten erfolgt experimentell durch bombenkalorimetrische Messungen. Daraus werden treibstoffrelevante Eigenschaften wie der spezifische Impuls und die adiabatische Flammentemperatur mit hochkonzentriertem Wasserstoffperoxid als Oxidator berechnet. Zur Ermittlung der Zündverzüge der hypergolen Treibstoffe werden Tropfversuche bei Raumtemperatur durchgeführt und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt. Für einige Substanzen wird die Zündfähigkeit ebenfalls bei niedrigen Brennstofftemperaturen bis -25 °C getestet. Auch die Änderung der Zündgeschwindigkeit bei höheren Temperaturen wird untersucht. Weiterhin wird die Abhängigkeit der Zündverzüge von der Wasserstoffperoxidkonzentration evaluiert und ermittelt, bis zu welcher Konzentration eine hypergole Zündung auftritt. Auf den Ergebnissen aufbauend wird erstmals die Rolle der Kationenstruktur hinsichtlich der Hypergolität thiocyanatbasierter ionischer Flüssigkeiten mit Wasserstoffperoxid untersucht und Kriterien für strukturelle Eigenschaften der Kationen abgeleitet, welche eine schnelle hypergole Zündung begünstigen können. Darüber hinaus wird der vielversprechende IL-basierte Brennstoff HIM_35 weiterführend charakterisiert: Unter anderem werden die Langzeitstabilität, die temperaturabhängige Viskosität und die Zeit bis zur Dampferzeugung in Tropftests mit Wasserstoffperoxid untersucht. Des Weiteren werden die Eigenschaften der neu entwickelten grünen Treibstoffkombination mit denen des konventionell eingesetzten Raumfahrttreibstoffs bestehend aus Monomethylhydrazin und Distickstofftetroxid verglichen. Schließlich wird der IL-basierte Brennstoff in größerem Maßstab synthetisiert und die Einsatzfähigkeit der Treibstoffkombination in einem Experimentaltriebwerk demonstriert.