DESENVOLVIMENTO DE CATALISADORES À BASE DE ÓXIDOS MISTOS PARA A DECOMPOSIÇÃO DO MONOPROPELENTE PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO

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1 DESENVOLVIMENTO DE CATALISADORES À BASE DE ÓXIDOS MISTOS PARA A DECOMPOSIÇÃO DO MONOPROPELENTE PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO Luís Gustavo Ferroni Pereira Orientador: Dr. Ricardo Vieira São José dos Campos, 05 de dezembro de 2013

2 Introdução Satélites artificiais são veículos espaciais colocados na órbita da Terra e que promovem, continuamente, a aquisição de dados relacionados às propriedades primárias dos objetos. Aplicações -Localização e posicionamento global; - Detecção de incêndio e explosões nucleares; - Telecomunicações; - Previsões meteorológicas; - Previsão de safras. 2

3 Controle de atitude dos satélites - Usado no posicionamento e correção da órbita dos satélites; - Permitem o ajuste do campo de visada dos satélites; -Sensores; Sistema de controle de atitude dos satélites -Propulsores; - Algorítmo. 3

4 Satélite geoestacionário 4

5 Sistemas propulsivos a monopropelente Monopropelentes são substâncias que se decompõem quando aquecidas, pressurizadas ou quando submetidas ao contato com um catalisador, gerando grande quantidade de gases a altas temperaturas. (MAKLED; BELAL, 2009) 5

6 Hidrazina - Monopropelente mais utilizado atualmente; - O catalisador utilizado é o Shell 405 (36% Ir/Al 2 O 3 ). 3N 2 H 4(l) 3N 2 H 4(l) catalisador ou catalisador N 2(g) + 4NH 3(g) 3N 2(g) + 6H 2(g) -É um monopropelente extremamente caro e altamente tóxico (carcinogênico); 6

7 Peróxido de Hidrogênio - É um dos mais importantes candidatos para a aplicação em sistemas propulsivos limpos e de baixo custo; - Foi muito estudado pela NASA na década de 60 mas perdeu espaço para a hidrazina com o desenvolvimento do catalisador Shell H 2 O 2(l) catalisador 2H 2 O (v) + O 2(g) 7

8 Hidrazina vs Peróxido de Hidrogênio Características Hidrazina Peróxido de Hidrogênio Custo* US$1010,00/kg US$90,00/kg Toxidade * Orçamento da Sigma Aldrich Cancerígena e mutagênica Produto não tóxico Impulso Específico 140s 106s Densidade de Impulso 141s.g/cm3 148s.g/cm 3 Armazenagem Superior a 15 anos Superior a 15 anos 8

9 Catalisadores para H 2 O 2 Catalisador tradicional - Telas de prata sobrepostas; - Ponto de fusão ~962 C; - Óxidos de prata são menos ativos que a prata metálica. Catalisadores suportados - Pt/Al 2 O 3, Ir/Al 2 O 3, MnO 2 /Al 2 O 3 ; - Desativação pela oxidação da fase ativa; - Perda da fase ativa por arraste. 9

10 Catalisadores mássicos - Constituídos exclusivamente do material cataliticamente ativo; - Quase toda a superfície do material apresenta atividade catalítica; - Normalmente são óxidos cujos sítios ativos são constituídos por cátions; - A posição e o estado de oxidação dos cátions interfere na atividade do material. 10

11 Síntese do catalisador Me(NO 3 ) 2(aq) + 2KOH (aq) ph 10 Me(OH) 2(ppt) + 2KNO 3(aq) Filtrado Lavado Secado Triturado Umedecido Extrudado Secado Cortado Nitratos de Co, Mn, Ag, Mg, Al KOH Calcinado 11 Kovanda, F. et al. Mixed oxides obtained from Co and Mn containing layered double hydroxides. J. Solid State Chem. 179 (2006) 812

12 Teste dos catalisadores -Teste de bancada (teste da gota); - Teste no micropropulsor. -Velocidade característica (c*); - Impulso específico (I sp ). 12

13 Testes no micropropulsor 13

14 Testes no micropropulsor 14

15 Teste no micropropulsor (10s) CoMnMg CoMnAg 2,5N 1,7N CoMn CoMnAl 2,0N 2,2N 15

16 Teste no micropropulsor (10s) CoMnAl 2,2N 16

17 Teste contínuo (30s) CoMnAl 17

18 Teste pulsado (5s) 18

19 Otimização do micropropulsor L = 29 33mm D = 15 17mm 19

20 Novos catalisadores - Co4MnAl - CoMn4Al - Co2MnAl - CoMn2Al - Co2Mn2Al - CoMnAl - Co2Mn - CoMn2 - MnAl2 - CoAl2. 20

21 Bancada de testes portátil 21

22 Caracterização dos catalisadores - Adsorção de nitrogênio; - Termogravimetria; - Difração de raios x; - Espectroscopia fotoeletrônica por raios x (XPS); - Teste de resistencia a compressão. 22

23 Caracterização dos catalisadores 23

24 Conclusões - Foram preparados óxidos mistos a base de Co e Mn através de diferentes métodos de síntese; - O método de síntese por coprecipitação em solução aquosa foi o que apresentou melhores resultados; - Os óxidos preparados foram utilizados como catalisadores na decomposição do H 2 O 2 concentrado; 24

25 Conclusões - Com base no resultado dos testes preliminares, o trio Co, Mn e Al foi selecionado para a síntese dos novos catalisadores; - Os resultados da caracterização dos materiais serão correlacionados com as propriedades catalíticas dos mesmos. - O catalisador de melhor desempenho será selecionado 25

26 Publicações Artigos aceitos -Maia, F. F; Pereira, L. G. F. ; Gouvea, L. H. ; Costa, F. S. ; Vieira, R. New bulk catalyst for rocket grade hydrogen peroxide decomposition. Journal of Propulsion and Pòwer. in press. -Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R. Development and optimization of a catalytic thruster for hydrogen peroxide decomposition. Journal of Aerospace Engineering, Sciences and Applications. in press. Artigos divulgados -Maia, F. F; Pereira, L. G. F. ; Gouvea, L. H. ; Costa, F. S. ; Vieira, R. Performance of a 2 N microthruster using hydrogen peroxide and a mixed oxide bulk catalyst. In: Space Propulsion 2012, 7th 10th may 2012, Bordeaux, France. -Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R.Otimização das dimensões de um micropropulsor a decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio 90%. In: VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, CONEM 2012, 31 de julho a 3 de agosto de 2012, São Luis, MA. -Maia, F. F; Gouvea, L. H. ; Pereira, L. G. F.; Costa, F. S. ; Vieira, R. A new catalyst for hydrogen peroxide decomposition in a satellite microthruster. In: Simpósio Aeroespacial Brasileiro 2012, 29 a 31 de maio de 2012, São José dos Campos, SP. 26

27 Obrigado pela atenção 27