Perche' l'idrazina?

Mi sono sempre chiesto: perche’ usare proprio l’idrazina, per il "carburante orbitale?
Perche’ non acqua, o alcool, o tiotimolina risublimata, o aranciata?!? :stuck_out_tongue_winking_eye: Che caratteristiche fisiche ha l’idrazina, per decidere di usarla anche se cosi’ altamente tossica?

L’idrazina è un ottimo monopropellente. Ciò la rende adatta ad essere impiegata ai sistemi di navigazione spaziale, manovre orbitali o sistemi di controllo d’assetto funzionanti con propulsione chimica. Un’altra caratteristica importante è l’essere stivabile e non criogenica, come altri propellenti (ad esempio idrogeno e ossigeno liquidi, che peraltro non sono mono ma bipropellenti). Il suo funzionamento si basa su un’attivazione catalitica ad opera del contatto con uno o più “letti catalizzatori” su cui l’idrazina fluisce: questa si attiva (la chimica la faccio spiegare a Spock :stuck_out_tongue_winking_eye:) e liberando energia cinetica a spese dell’energia entalpica insita nel propellente, espande in un ugello gasdinamico (o propulsivo, la differenza sta nella geometria del divergente, a campana per i gasdinamici ma più corti e compatti in quelli propulsivi). Il grado di tossicità dell’idrazina non crea problemi per sistemi di navigazione, ma sta creando molte controversie per l’impiego di derivati dell’idrazina come bipropellenti nei sistemi da lancio (i.e. il Proton russo). Derivati dell’idrazina, comunque tossici anche se con diverso grado di tossicità, sono le Monometil Idrazine MMH e le idrazine non simmetriche UDMH, che hanno anche la funzione di abbassare il punto di congelamento dell’idrazina semplice, che è di 2°C, unico vero ostacolo per l’utilizzo nello spazio. Altra caratteristica delle idrazine è la forte inalterabilità nel tempo: si conservano bene per oltre 15 anni…

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Potevano usare la Coca Cola con le mentos ???

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Scusate non ho resistito

Fantastica questa spiegazione AJ!!

Ma in linea pratica come funziona l’attivazione con “letti catalitici”??

Ma quindi la tossicità rimane l’unico problema che ne impedisce l’utilizzo in fase di lancio??

Io una volta c’ho provato, cavolo!!!

Non ci sono riuscito a fare il razzo!
eppure avevo seguito alla lettera le istruzioni su youtube… :angry:

In una configurazione da monopropellente liquido (vedi foto), l’idrazina si decompone in gas caldi, che poi espandono nell’ugello, dopo l’attivazione chimica del letto catalitico, che non è altro che un insieme di metalli di transizione (Ir, Pt…) che sono depositati su strati ceramici porosi di allumina: i granuli di metalli di transizione che fungono da catalizzatori sono molto piccoli, micrometrici e nanometrici. L’idrazina viene quindi spruzzata sul letto catalitico dalla testata di ignizione nelle più svariate configurazioni: a testa di doccia, a disco poroso, a getti paralleli, etc… La particolarità dei catalizzatori è che il loro utilizzo può avvenire anche per 100000 cicli, rendendo adatto il binomio idrazina-catalizzatore per le accensioni multiple che caratterizzano i sistemi da navigazione e controllo d’assetto.

L’utlizzo in fase di lancio di idrazina (ma principalmente il suo derivato MMH) con l’ossidante tetrossido di azoto N_2O_4 che viene utilizzata ad esempio sul Proton porta a problemi di elevata tossicità : ovvio che il problema sia forte perchè nelle prime fasi di volo i gas combusti cadono in prossimità di zone popolate o naturali, comunque inquinando notevolmente l’ambiente (contenziosi con il Kazakistan insegnano :stuck_out_tongue_winking_eye:). Di per sè la tossicità è l’unico motivo a mio parere per cui l’idrazina non verrà più utilizzata, in futuro, come bipropellente da lancio…

Scusa AJ se sembro scherzare ma vorrei essere in questo caso almeno semiserio.
La mentos + coca potremo considerarla un monopropellente attivata dal catalizzatore mentos o un sistema bipropellente liquido solido?
inoltre si potrebbe calcolare/misurare spinta e isp dell’accoppiata (coca da 2 litri+ 1 tubetto di mentos)?

Sembrano (sono) stupidaggini , potrebbero servire come esempio didattico per fare capire i principi dei motori a razzo ai più piccoli.

Saluti
F_M

Essendo un’accoppiata solido+liquido, lo definirei un motore ibrido…

In realtà credo che la mentos sia il catalizzatore che decompone la cola provocandone il rilascio istantaneo dell’anidride carbonica disciolta, quindi penso che sia molto simile come esempio.
Se un motore iniettasse la cola su un letto catalizzatore di mentos si sprigionerebbe il getto di schiuma composta da cola e CO2.
La spinta sarebbe data dal peso della schiuma espulsa per la velocità…

Secondo me non è sbagliato come concetto per spiegare il funzionamento dei motori a razzo…

E decisamente non inquinante! :stuck_out_tongue_winking_eye:

Il motore ibrido comporta un comburente ed un combustore, uno dei quali solido ed uno liquido. Il solido è organizzato in modo massiccio, come “grano”. Nel caso del catalizzatore quest’ultimo è micrometrico, nanometrico, e disposto opportunamente. Deve solo attivare la decomposizione di un liquido, non partecipare alla combustione. La maggiore differenza comunque è la consistenza del particolato solido, oltre che dalla quantità, e la possibilità del liquido di decomporsi oppure solo di reagire con reazioni redox fortemente esotermiche come nel caso bipropellente (solidi, ibridi o liquidi che siano). In questo caso penso che l’esempio :stuck_out_tongue_winking_eye: proposto sia più un ibrido che un monopropellente: dubito che le mentos catalizzerebbero 100000 riaccensioni :stuck_out_tongue_winking_eye:

P.S. penso che il concetto di motore a razzo sia spiegabile anche in modo classico, magari con meno termini complessi, ma pur senza tirare in ballo la coca cola :stuck_out_tongue_winking_eye: :stuck_out_tongue_winking_eye:

Dipende da quanto è grande la mentos… :stuck_out_tongue_winking_eye: :stuck_out_tongue_winking_eye: :stuck_out_tongue_winking_eye:

Io che sono un autarchico, faro’ delle prove con pastiglie Valda e Chinotto Neri.

:stuck_out_tongue_winking_eye: :stuck_out_tongue_winking_eye: :rofl:

Volevo proporre di spostare il topic in “discussione tecniche varie” ma penso non sia più il caso… :angry:

…tutto questo non risponde alla mia domanda: perche’ l’idrazina e non altro? forse perche’ ha una bassa temperatura di congelamento? O forse perche’ è particolarmente densa e quindi ne basta un basso volume per produrre un grande spostamento? Aranciata a parte… perche’ non usare per esempio azoto liquido, che non dovrebbe forse neanche essere raffreddato, visto che di freddo ne fa gia’ abbastanza?

Comunque il fatto che sia tossica E’ un problema anche se usata solo per manovre orbitali: come abbiamo visto, prima DEVI ARRIVARCI, in orbita: se qualcosa va storto 10 secondi dopo il lancio, ne risulta una pioggia di schifezze… (motivi per cui, se non sbaglio, si evita, per quanto possibile, di lanciare satelliti “atomici”).

Non credo che l’azoto possa garantire una spinta paragonabile… sopratutto proporzionata all ingombro.

Vedo di organizzare meglio ciò che ho già spiegato: i vantaggi dell’idrazina sono:

  1. versatilità di utilizzo come mono o bipropellente: ciò vuol dire che reagisce sia con un catalizzatore sia come propellente in un bipropellente: l’azoto al massimo può essere usato come gas freddo, ma è principalmente usato come propulsione personale (infatti per il pericolo della tossicità si usa azoto o gas freddo rispetto all’idrazina)
  2. Il suo impulso specifico come propellente: se l’azoto come monopropellente gassoso offre un Is di 80 secondi, la nostra cara idrazina ne offre, sempre da monopropellente, 250 secondi (3 volte dell’N2 !)
  3. La sua densità è più elevata di propellenti come H2, Metano, RP1… ed in più è stivabile, non criogenica
  4. Mantiene le sue proprietà pressochè inalterate rispetto al tempo anche per decenni
  5. Non ha una bassa T di congelamento, ma una alta T di congelamento (come avevo scritto in alto): questo fa si che sia in teoria inadatta ad impieghi spaziali ma adattabile con varianti chimiche UDMH e MMH che hanno T di congelamento più bassa e T di ebollizione più alta, cosa che aumenta il range utile di temperatura, oppure con riscaldamento per resistenza termica.
  6. E’ tossica, ma nella propulsione cosa non lo è ? Per questo si limita la sua applicabilità alla propulsione secondaria (se va storto un lancio succedono ben altri casini della rottura di un tank di idrazina…) ma rimangono applicazioni nei motori da lancio, rischiosi ma ancora effettuati…

Spero di essermi spiegato meglio adesso… Non avevo detto nei post precedenti del suo Impulso specifico non bassissimo, ma sembra chiaro che si scelga un propellente per via delle prestazioni!

Il tuo riferimento alla tiotimolina mi fa pensare che tu sia un cultore della fantascienza, forse addirittura un fan di Isaac Asimov inventore di questa sostanza endocronica capace di reagire ancor prima che la reazioni abbia inizio. Con le sue astronavi endocroniche alimentate a tiotimolina il buon Isaac ha viaggiato nello spazio ben prima che la fantascienza concepisse l’iperspazio che apriva le porte ad una soluzione molto pi๠elegante e lineare dell’assioma narrativo asimoviano, che applicato “all’astrogazione” risulta eccessivamente macchinoso.

Per quanto riguarda l’idrazina e tutto il battage sulla serbatoio presente a bordo del satellite americano distrutto in orbita pochi giorni fa, vorrrei fare presente che secondo Wikipedia la sostanza in questione è presente in moltissimi settori oltre che in quello astronautico tanto che annualmente ne viene prodotta una quantità enorme come potete vedere qui sotto:

Hydrazine
From Wikipedia, the free encyclopedia
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Hydrazine

IUPAC name Hydrazine
Identifiers
CAS number [302-01-2]
RTECS number MU7175000
Properties
Molecular formula N2H4
Molar mass 32.05 g/mol
Appearance Colourless liquid
Density 1.01 g/mL (liquid)
Melting point 1 °C (274 K)

Boiling point 114 °C (387 K)

Solubility in water miscible
Viscosity 0.9 cP at 25°C[1]
Structure
Molecular shape pyramidal at N
Dipole moment 1.85 D[1]
Hazards
MSDS External MSDS
Main hazards Toxic,
causes burns
NFPA 704 333
R-phrases 45-10-23/24/25-34-43-50/53
S-phrases 53-45-60-61
Flash point 37.78°C (closed cup)
Related compounds
Related hydrides hydrogen peroxide
ammonia
Related compounds monomethylhydrazine
dimethylhydrazine
phenylhydrazine
Except where noted otherwise, data are given for
materials in their standard state
(at 25 °C, 100 kPa)
Infobox disclaimer and references
Hydrazine is the chemical compound with the formula N2H4. It has an ammonia-like odor, and is derived from ammonia, but its physical properties are more similar to those of water. Hydrazine is usually handled as 60% aqueous solution. It is mainly used as a blowing agent in preparing polymer foams, but significant applications also include its uses as a precursor to polymerization catalysts and pharmaceuticals. It is used in rocket fuels and to prepare the gas precursors used in air bags. Approximately 260 million kilograms are manufactured annually.

In riferimento alla tua domanda mi pare ovvio che la scelta sia dovuta, oltre alle molteplici prprietà già citate da AJ al suo alto Is secondo solo (ma di poco…) al Nitrometano.
Ecco una tabella tratta da Rocket propulsion Elements di Sutton e Ross:

Idrogeno perossido H2O2 > Is (teorico) 190.0

Ossido di etilene C2H4O > Is 226.6

Idrazina N2H4 > Is 245.9

Nitrometano CH2NO2 > Is 287.0

Infine una curiosità . Il veicolo che vedete nella foto allegata è l’unico mezzo terrestre dotato di un propulsore a razzo alimentato a N2O2 e N2H4 (Tetrossido d’azoto e Idrazina) era in grado di percorrere il quarto di miglio con partenza da fermo in poco pi๠di 4 sec. con una velocità d’uscita di oltre 680 km/h

Non mi ricordavo che la tiotimolina avesse anche utilizzi pratici! :grinning:Ho letto quel libro (quale?!?) un secolo fa…
Si’, una volta ero un appassionato di Asimov. Poi, quando mi sono reso conto che non scriveva fantascienza ma futurscienza 8-[ , ho cominciato a interpretare molti suoi libri come… libri horror :scream: e ho smesso di leggerli. E’ troppo inquietante vedere le “profezie” di Asimov avverarsi anno dopo anno.
Era meglio quando avevo 15 anni e non sapevo un piffero di fisica e chimica, me li godevo di piu’, quei romanzi. :roll_eyes:

Aggiungo solo una cosa a quello che hai detto: si sceglie idrazina per le sue caratteristiche chimiche.
Come hai detto sopra, la si può usare come monopropellente (in presenza di appositi catalizzatori) o come bipropellente se l’ossidante è tetrossido di diazoto (non è un errore, è il suo nome corretto) o una sostanza simile.
Per l’uso come monopropellente serve una caratteristica fondamentale: avere la capacità di decomporsi con una reazione esoergonica (liberando cioè energia). L’idrazina può farlo, anche se non so dirvi in cosa si decompone (sparo a casaccio: H2 e N2 oppure NH3 e N2); la maggior parte delle altre sostanze (azoto molecolare, acqua, metano ecc.) non può.
Per l’uso come bipropellente, serve che esista una sostanza ipergolica con essa, ed è appunto il tetrossido di diazoto. Ipergolica significa che la temperatura di autoaccensione della miscela è talmente bassa che l’ignizione avviene spontaneamente anche alle temperature spaziali. Ovviamente eliminare il dispositivo di accensione da un motore è un vantaggio sia in termini di peso che di affidabilità. Se N2O4 e N2H4 (o MMH o UDMH) non avessero questa caratteristica penso che ben difficilmente sarebbero usati come propellenti.