Polinitrógenos, límites de la propulsión termoquímica

Abstract

Los límites energéticos de la propulsión química vienen fijados por la energía liberada en la combinación de especies atómicas en especies moleculares dotadas de fuertes energías de enlace. En esta línea, un hipotético propulsante basado en la recombinación del nitrógeno atómico (N) en nitrógeno molecular (N2) liberaría una energía específica estándar de 33,7 MJ/kg. Ante la dificultad en conseguir una forma metaestable del nitrógeno monoatómico, como alternativa se está investigando el uso de polinitrógenos, hipotéticas formas alotrópicas metaestables del nitrógeno tales como N4, N8 e incluso N60 caracterizadas todas ellas por tener los átomos de nitrógeno que las integran unidos por los relativamente débiles enlaces N-N. Los polinitrógenos Nn al descomponerse en n/2 moléculas de N2 dotadas de triple enlace N≡N desprenden una energía específica del orden de 16,3 MJ/kg. A pesar de la dificultad inherente a su síntesis, diferentes autores han apuntado el potencial que tendrían estas sustancias altamente energéticas como futuros explosivos o propulsantes para coetes. Sin embargo, un problema tecnológico inherente a su hipotética utilización y que raramente se menciona, es la elevada temperatura adiabática de la reacción que alcanza casi los 8000K y en consecuencia la dificultad de contenerla en una cámara dotada de la correspondiente tobera. Por ello sería recomendable el uso de un fluido diluyente/propulsante idóneo que al mismo tiempo que reduce la temperatura adiabática, reduzca la masa molar media de los gases. Análogamente a lo que ocurre en la propulsión térmonuclear el mejor candidato es el hidrógeno. En este trabajo, ante la disparidad en los valores de las entalpías de formación utilizados en preducciones publicadas por diferentes autores, se justifica la adopción de un valor invariante de la entalpía de formación estándar de los polinitrógenos poliédricos con enlaces sencillos de 16,3 MJ/kg. En base a dicho valor se analiza el comportamiento teórico de un propulsor que calienta un fluido motor (H2) con el aporte de la energía liberada en la reacción genérica cNn → n/2 N2 (n>2). Se establecen unas condiciones de referencia: Reactivos y productos gases a 298 K, combustión adiabática en equilibrio a 7 MPa. Expansión isoentrópica en equilibrio hasta 0,1 MPa y/o 0,1 kPa. Dadas las elevadas temperaturas alcanzadas se considera la presencia de especies ionizadas. Se presentan los resultados obtenidos (temperatura en cámara y velocidad teórica de eyección) a diferentes relaciones de mezcla de los polinitrógenos con hidrógeno molecular En el caso de que se utilizase como propulsante polinitrógeno puro, se obtiene una temperatura de cámara de 7982K y una velocidad de eyección bajo las citadas condiciones de 5709 ms-1, lo que corresponde a un Isp= 582 s. Con una dilución molar nN/nH =1/3 la temperatura de cámara desciende a unos aceptables 3608K, mientras que la velocidad de eyección tan solo disminuye a 5135 ms-1 (Isp= 523 s). En conclusión un sistema de propulsión basado en este principio superaría en casi un 20 % los impulsos específicos de los actuales sistemas de propulsión termoquímica.