Физико-химические процессы горения алюминия как перспективного твердого топлива для ракет и машин исследовали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 15 декабря сообщает пресс-служба вуза

Алюминий уже добавляют в топливо для ракет, и в планах научного сообщества разработать технологии использования его как самостоятельного горючего, в том числе для автомобилей. В отличие, например, от водородного топлива, алюминий не взрывоопасен, а также не токсичен, легко транспортируется и хранится.

Однако процессы его горения еще недостаточно хорошо изучены, что и ограничивает сферу его применения. Этот пробел решили восполнить ученые ПНИПУ. Они провели исследование особенностей горения алюминия в различных условиях.

В ходе экспериментов внимание ученых пермского Политеха привлек странный факт. Сгорание частиц алюминия при низком давлении приводит к образованию ультрадисперсного оксида (с частицами менее 100 нм), а при высоком — образуется как ультрадисперсный, так и крупнодисперсный.

Но при сжигании алюминия в среде гелий+кислород вне зависимости от давления будет образовываться только ультрадисперсный оксид. Это явление ранее не было описано, и причины его не установлены.

Доцент кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ к. т. н. Алексей Крюков пояснил:

«При применении алюминия как горючего для энергоустановок эффективнее, чтобы продукты сгорания формировались в ультрадисперсном виде, это значительно уменьшает потери энергии. Ультрадисперсные порошки оксида алюминия также востребованы в современном материаловедении: их добавляют в смазочные материалы, используют для изготовления высококачественной керамики».

Пермские исследователи решили выяснить причину выявленного эффекта. С этой целью они, произведя необходимые расчеты, построили математическую модель процесса горения алюминия в кислороде и гелии при высоком давлении. Она позволила им установить, что повышенное давление по-разному изменяет параметры предпламенной зоны (зоны перед областью пламени), влияющие на процесс горения.

Так, при повышении температуры в этой зоне лишь на 15% концентрация кислорода (окислителя) падает более чем в 10 раз. При этом также возрастает степень диссоциации кислорода от 1% до 67,5%, что снижает скорость его проникновения в зону пламени.

Низкая скорость поступления кислорода в зону горения при высоком давлении, в свою очередь, препятствует образованию в среде гелий+кислород крупнодисперсных частиц оксида алюминия из-за того, что окислитель не поступает к поверхности частицы.

Результаты исследования ученые представили в статье «Процессы в предпламенной области частиц алюминия в кислородсодержащих средах при высоких давлениях», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 3, 2023.

«Выяснение наилучших условий для получения крупно- или ультрадисперсного оксида будет способствовать разработке новых технологических и энергетических установок, использующих алюминий. Перспективы алюминия как самостоятельного вида топлива — очень широкие. Например, в последнее время активно изучается возможность применять алюминий как горючее в автомобильной технике», — подытожил Алексей Крюков.

Результаты проведенной политехниками работы будут востребованы исследователями в тех сферах, где существует интерес к применению «алюминиевого топлива», в том числе в авиации, космонавтике, автомобильной и военной промышленности, машиностроении.

Для ускорения дальнейших открытий в этой области ученые ПНИПУ намерены разработать программный комплекс для автоматического считывания параметров процесса горения алюминия.