超音速飛機能以幾倍於音速的速度飛行，未來從美國到澳大利亞只需要短短几個小時。但要實現超音速需要克服重重難題，其中一項就是散熱。目前，科學家希望防止它們過熱的一種方法就是讓推進劑同時作為冷卻劑來使用，使飛機在天空中飛行時保持安全的工作溫度。
新開發的 3D 打印催化劑可能是一個新的突破口，實驗室測試顯示它們如何能夠觸發必要的化學反應以實現高效吸熱。
雖然高空的寒冷溫度足以使商用飛機不會過熱，但對於以超過 6100 公里/小時（3790 英里/小時）的超音速飛行的飛機來說，情況就不同了，飛機和外界空氣之間的摩擦會產生大量的熱量。自 20 世紀 60 年代以來，研究人員探討了通過所謂的內熱燃料來解決這一問題的想法，內熱燃料將同時作為推進劑和飛機的主要冷卻劑。
在這種情況下，某種熱交換器將從升溫的部件中獲取熱量，並將其轉移到冷卻的碳氫化合物燃料中。當該燃料升溫並達到一定溫度時，它會引發化學反應，將碳氫化合物分解成更簡單的單元，然後可用於推進。
澳大利亞皇家墨爾本理工大學的第一作者 Roxanne Hubesch 說：“能夠在為飛機提供動力的同時吸收熱量的燃料是科學家們關注的一個重點，但是這個想法依賴於需要高效催化劑的耗熱化學反應。此外，燃料與催化劑接觸的熱交換器必須儘可能小，因為高超音速飛機在體積和重量上受到嚴格限制”。
為了尋找這個問題的解決方案，Hubesch 和她的同事們使用 3D 打印技術來生產由金屬合金製成的晶格結構，這些金屬合金被塗上了稱為沸石（zeolites）的合成礦物。該團隊將這些結構描述為微型化學反應器，並將其置於實驗室測試中，旨在模仿燃料在高超音速下所承受的極端溫度和壓力。這表明，隨着結構的加熱，一些金屬，最可能是鉻，遷移到沸石框架中，導致”前所未有的催化活性”。
Hubesch 表示：“我們的3D打印催化劑就像微型的化學反應器，使它們如此令人難以置信地有效的原因是金屬和合成礦物的混合。這是一個令人興奮的催化新方向，但我們需要更多的研究來充分了解這個過程，並確定金屬合金的最佳組合，以獲得最大的影響”。
該團隊以實驗形式生產了各種3D打印的催化劑，但在我們看到它們在下一代飛機上工作之前還有很多工作要做。科學家們現在將使用 X 射線同步輻射技術和其他方法來更詳細地研究它們的功能並優化它們的性能。
首席研究員 Selvakannan Periasamy 博士說：“我們的實驗室測試表明，我們開發的 3D 打印催化劑對推動未來的超音速飛行有很大的希望，強大而高效，它們為航空業的熱管理提供了一個令人興奮的潛在解決方案–甚至更多。隨着進一步的發展，我們希望這種新一代的超高效3D打印催化劑可以被用來改變任何過熱的工業難題”。
這項研究發表在《化學通訊》雜誌上。
資料來源：皇家墨爾本理工大學