Inframerah Berkecepatan Tinggi Mengungkapkan Propelan Hipergolik yang Lebih Aman
Ketika kapsul Crew Dragon SpaceX jatuh di lepas pantai Florida pada bulan Agustus setelah misi kru pertamanya, kedua astronot di dalamnya tidak dapat segera keluar dari kapsul. Teknisi di luar harus memastikan tidak ada uap di udara dari hidrazin, bahan bakar yang sangat beracun yang digunakan oleh pendorong hipergolik kendaraan. Sekarang, peneliti pembakaran Universitas Purdue sedang menyelidiki propelan hipergolik yang lebih aman dan kurang beracun, mempelajari reaksi ledakannya dengan teknik baru yang melibatkan kamera kecepatan tinggi yang terlihat dan inframerah. Hypergolic adalah zat yang langsung menyala ketika bersentuhan satu sama lain.
“Hypergolic telah digunakan sejak era Apollo dan sebelumnya,” kata Steven Son, Profesor Teknik Mesin Alfred J. McAllister Purdue, dan pakar bahan energik seperti propelan, bahan peledak, dan kembang api. “Mereka dapat disimpan pada suhu kamar, dan langsung menyala saat dicampur, yang membuatnya lebih fleksibel dan andal daripada bahan bakar kriogenik.”
Meskipun penggunaannya dalam peroketan terdokumentasi dengan baik, bahan bakar hipergolik saat ini juga sangat berbahaya bagi manusia untuk ditangani, dan buruk bagi lingkungan. Tidak seperti kebanyakan bahan bakar hipergolik lainnya, amonia borana (NH3BH3) adalah bahan padat, stabil dalam kondisi atmosfer yang khas. Karena densitas hidrogennya, pertama kali dikembangkan sebagai media penyimpanan solid-state untuk hidrogen. Namun peneliti pembakaran baru-baru ini menemukan sifat hipergoliknya, yang dapat digunakan sebagai bagian dari propelan hibrida.
"Sebelum ini dapat digunakan di dunia nyata, kita harus memahami ilmu pembakaran mendasar yang mengatur perilakunya," kata Chris Goldenstein, asisten profesor teknik mesin Purdue. “Kami menggunakan pendekatan baru yang menggabungkan pencitraan tampak dan inframerah untuk mengkarakterisasi proses pembakaran.”
Pencitraan inframerah memungkinkan peneliti untuk melihat komposisi kimia api selama proses pembakaran. “Setiap molekul memiliki sidik jari spektral yang unik,” kata Goldenstein. “Dengan mencari panjang gelombang cahaya tertentu, kita dapat mengidentifikasi di mana molekul tertentu didistribusikan di ruang angkasa dan mengetahui seberapa lengkap proses pembakarannya. Banyak dari panjang gelombang yang diinginkan tidak terlihat dengan mata telanjang, dan pencitraan inframerah adalah satu-satunya cara untuk melihatnya.”
Karena reaksi berlangsung hanya dalam beberapa milidetik, para peneliti menggunakan kamera khusus yang mampu menangkap setidaknya 2.000 frame per detik. Video berkecepatan tinggi mengungkapkan kilatan hijau yang luar biasa dan berkembang pesat, menunjukkan kekuatan zat hipergolik.
“Kami biasanya mulai dengan sampel yang sangat kecil,” kata Michael Baier, Ph.D. siswa di Sekolah Penerbangan dan Astronautika Purdue, yang melakukan eksperimen di Zucrow Labs. “Kami hanya menggunakan sedikit bubuk boran amonia, dan di atasnya ada jarum suntik yang mengeluarkan tetesan mikroliter pengoksidasi, yang dalam hal ini adalah asam nitrat berasap putih. Bahkan kemudian, itu membuat ledakan yang cukup besar. Beberapa milidetik itu memberi kita semua data yang kita butuhkan untuk mengkarakterisasi kunci kontak.”
Son berkata, “Berkat pencitraan inframerah, kami melihat banyak sinyal BO2, yang mengejutkan kami. Ini menunjukkan bahwa amonia borana mencapai pembakaran sempurna bahkan lebih baik daripada bahan bakar boron konvensional.”
Meskipun boran amonia mungkin kurang beracun daripada hipergolik berbasis hidrazin tradisional, itu masih cukup berbahaya untuk digunakan, seperti juga semua bahan energik. Namun Zucrow Labs telah meneliti teknologi propulsi sejak tahun 1948 dan merupakan salah satu dari sedikit laboratorium di dunia akademis yang memiliki peralatan lengkap untuk mempelajari materi energik.
