Inframerah Tinggi Kecepatan Mengungkap Bahan Bakar Hipergolik yang Lebih Aman

Saat kapsul Crew Dragon SpaceX terlempar di dekat pantai Florida di Agustus setelah misi bawa awak pertama, dua astronot di dalam tidak dapat keluar dari kapsul segera. Teknisi di luar harus memastikan tidak ada uap udara dari hydrazine, bahan bakar yang sangat beracun yang digunakan oleh thruster hipergolik kendaraan. Sekarang, peneliti combusti di Purdue University menyelidiki propelan hipergolik yang lebih aman dan kurang beracun, mempelajari reaksi meledaknya dengan teknik baru yang melibatkan kamera inframerah dan cahaya terlihat berkecepatan tinggi. Hipergolik adalah substansi yang langsung meledak ketika bertemu satu sama lain.

“Hipergolik telah digunakan sejak era Apollo dan sebelumnya,” kata Steven Son, Professor Alfred J. McAllister Teknik Mekanik di Purdue, dan ahli dalam bahan energik seperti propelan, peledak, dan piroteknik. “Mereka dapat disimpan pada suhu ruangan, dan mereka langsung meledak ketika dicampur, yang membuatnya lebih serbaguna dan andal dibandingkan bahan bakar kriogenik.”

Meskipun penggunaan dalam roket telah terdokumentasi dengan baik, bahan bakar hipergolik saat ini juga terkenal berbahaya bagi manusia untuk ditangani, dan buruk untuk lingkungan. Tidak seperti sebagian besar bahan bakar hipergolik lainnya, ammonia borane (NH3BH3) adalah bahan padat, stabil dalam kondisi atmosfer tipikal. Karena kepadatan hidrogennya, ia pertama kali dikembangkan sebagai medium penyimpanan hidrogén padat. Namun, peneliti combusti baru-baru ini telah menemukan properti hipergoliknya, yang dapat digunakan sebagai bagian dari propelan hibrid.

“Sebelum ini dapat digunakan di dunia nyata, kita harus memahami ilmu combusti dasar yang mengatur perilakunya,” kata Chris Goldenstein, assistant professor teknik mekanik di Purdue. “Kami menggunakan pendekatan baru yang menggabungkan citra terlihat dan inframerah untuk mengkarakterisasi proses combusti.”

Citra inframerah memungkinkan peneliti untuk melihat komposisi kimia nyala selama proses combusti. “Setiap molekul memiliki sidik jari spektral yang unik,” kata Goldenstein. “Dengan mencari panjang gelombang cahaya tertentu, kita dapat mengidentifikasi di mana dalam ruang molekul tertentu tersebar dan tahu seberapa lengkap proses combusti. Banyak panjang gelombang yang diinginkan tidak terlihat oleh mata telanjang, dan citra inframerah adalah satu-satunya cara untuk melihatnya.”

Karena reaksi terjadi dalam beberapa milidetik, peneliti menggunakan kamera khusus yang mampu menangkap setidaknya 2.000 frame per detik. Video kecepatan tinggi mengungkapkan kilatan hijau yang luar biasa dan berkembang dengan cepat, menunjukkan kekuatan substansi hipergolik.

“Kami biasanya mulai dengan sampel yang sangat kecil,” kata Michael Baier, mahasiswa Ph.D. di School of Aeronautics and Astronautics Purdue, yang melakukan eksperimen di Zucrow Labs. “Kami menggunakan sedikit serbuk ammonia borane, dan di atasnya adalah serinj yang mengeluarkan tetesan mikroliter oksidator, yang dalam kasus ini, adalah nitric acid putih berasap. Bahkan itu, membuat ledakan yang cukup besar. Beberapa milidetik itu memberi kita semua data yang kita butuhkan untuk mengkarakterisasi ignitasi.”

Son kata, “Berkat citra inframerah, kita melihat banyak sinyal BO2, yang mengejutkan kami. Ini menunjukkan bahwa ammonia borane mencapai combusti lengkap bahkan lebih baik dari bahan bakar boron konvensional.”

Meskipun ammonia borane mungkin kurang beracun dibandingkan hipergolik berbasis hydrazine tradisional, masih cukup berbahaya untuk bekerja dengan, seperti semua bahan energik. Namun, Zucrow Labs telah meneliti teknologi propulsi sejak 1948 dan adalah salah satu laboratorium kecil di akademia yang sepenuhnya dilengkapi untuk mempelajari bahan energik.