Le proprietà del perossido di idrogeno

Le proprietà del perossido di idrogeno

In questo capitolo vengono presentate le proprietà fisiche, termodinamiche e termochimiche del perossido di idrogeno, mettendo in evidenza come possano essere sfruttate nel campo della propulsione aerospaziale e come costituiscano un fattore di merito rispetto ad altri tipi di propellente.

2.1 Caratteristiche principali del perossido di idrogeno

Dal punto di vista della propulsione, il perossido di idrogeno può essere classificato sia come un monopropellente, funzionalmente simile all’idrazina, sia come ossidante liquido. Nelle applicazioni aerospaziali normalmente viene decomposto attraverso un catalizzatore che può avere configurazioni diverse (a schermi, a sfere, liquido).

Le prestazioni propulsive di questa sostanza sono fortemente dipendenti dalla concentrazione iniziale. In generale, infatti, si avrà a disposizione una soluzione acquosa, la cui percentuale in peso di perossido di idrogeno non sarà inferiore al 70%. Come sarà più chiaro in seguito, quando illustreremo il problema dal punto di vista termochimico, quanto più alta è la percentuale di perossido di idrogeno puro disciolta in un certo quantitativo di acqua tanto più elevata è la temperatura dei gas prodotti dalla sua decomposizione. Come è facile intuire, ciò si traduce in maggior impulso specifico e dunque miglioramento delle prestazioni, ma bisogna anche tenere in considerazione il fatto che concentrazioni superiori al 90% introducono problemi non indifferenti dal punto di vista tecnico. Per citarne uno soltanto, la temperatura dei prodotti di decomposizione a partire da perossido di idrogeno al 92% supera la temperatura di fusione dell’argento (960°C), uno dei materiali più usati come catalizzatore.

Le caratteristiche che rendono il perossido di idrogeno un propellente utile e attraente sono riassunte di seguito.

2.1.1 Proprietà fisiche

Elevata densità: la densità del perossido di idrogeno al 90% è di 1.4 Kg/dm3 a 15°C, significativamente maggiore rispetto a quella dell’ossigeno liquido (1.14 Kg/dm3 ) e comparabile con quelle di acido nitrico e NTO.

Figura 2. 1 Densità del perossido di idrogeno a varie concentrazioni [1].

Propellente Densità (Kg/dm3) NTO 1.431 MMH 0.874 Acqua 1 Perossido di idrogeno 1.4422 Etanolo 0.7893 Metanolo 0.7914 Propanolo-1 0.8035 Butanolo-1 0.8098 Tabella 2. 1 Densità di vari propellenti

Questo comporta una densità di impulso specifico elevata (maggiore rispetto all’idrazina) ed un minore volume necessario del serbatoio. A titolo di esempio, a parità di pressione in camera di combustione (34 atm) e di rapporto di espansione (50), l’idrazina presenta un impulso specifico volumetrico pari a circa 201 Kg·s/dm3, contro i 238 Kg·s/dm3 del perossido di idrogeno al 90%.

Anche per questo aspetto l’H2O2 è una soluzione attraente soprattutto per piccoli

Propellente immagazzinabile: il perossido di idrogeno è liquido a temperatura

ambiente e può essere conservato per un lungo periodo in serbatoi progettati opportunamente. Questa caratteristica è attraente per sistemi che debbano rimanere nello spazio per un lungo periodo di tempo e comporta una grande vantaggio rispetto ai propellenti criogenici.

Figura 2. 2 Punto di ebollizione e di congelamento del perossido di idrogeno al variare della concentrazione [2].

Bassa pressione di vapore: rispetto ad altri ossidanti, il perossido di idrogeno ha una

pressione di vapore più bassa di circa 1-2 ordini di grandezza. Dal punto di vista meccanico questa proprietà permette alle turbo-macchine di operare con pressioni di entrata più basse.

Le pressione di vapore totale aumenta all’aumentare della temperatura e diminuisce all’aumentare della concentrazione (curva nera nella figura 2.3). Diversamente la pressione di vapore parziale aumenta sia all’aumentare della temperatura che della concentrazione (curva azzurra nella figura 2.3).

Elevato calore specifico : il calore specifico del perossido di idrogeno può essere

paragonato a quello dell’acqua. Questa caratteristica, assieme agli elevati rapporti O/F che si possono utilizzare, indica che il perossido potrebbe essere usato come refrigerante, ad esempio per un ugello raffreddato rigenerativamente.

Figura 2. 4 Calore specifico del perossido di idrogeno al variare della concentrazione [4].

Bassa tossicità : il termine “tossico” è generalmente usato per descrivere agenti

chimici cancerogeni, velenosi in piccole quantità per l’uomo o che possano avere effetti letali sui soggetti esposti. Il perossido di idrogeno è considerato “non-tossico” perché i suoi effetti sull’uomo sono molto minori rispetto ad altri propellenti (il corpo umano decompone perossido in maniera naturale attraverso la catalase) e perché, sotto idonee condizioni di lavoro, è molto difficile venire a contatto con esso. Essendo caratterizzato da pressione di vapore molto bassa, l’accorgimento di stoccarlo in contenitori con sfiati ed in aree ben ventilate garantirà agli operatori di lavorare ben sotto i livelli di esposizione considerati letali (1 ppm).

Non reattivo con l’atmosfera : il perossido di idrogeno non reagisce chimicamente con

gli elementi od i composti dell’atmosfera; questa caratteristica è importante per le applicazioni che richiedono esposizione all’atmosfera, come il controllo di reazione in un veicolo spaziale e transatmosferico. Al contrario l’idrazina reagisce con il diossido di carbonio creando altri composti che possono attaccare i materiali all’interno del motore entrando dall’ugello.

Possibilità di usare l’acqua come fluido di riferimento : questo aspetto è di grande

utilità nello sviluppo e nella qualificazione del sistema, soprattutto considerando che altri propellenti, per esempio quelli criogenici, richiedono l’uso di sostanze più difficili da manipolare come il Freon.

2.1.2 Proprietà termodinamiche e termochimiche

Prestazioni accettabili come monopropellente: l’impulso specifico ottenibile con

perossido al 90% è intorno ai 170 s, non distante dai circa 230 s dell’idrazina. Nel capitolo 4 verrà discusso un modello analitico semplificato che permetterà di stimare questo parametro fondamentale per la propulsione.

Figura 2. 5 Impulso specifico del perossido di idrogeno in funzione della concentrazione [5].

Ossidante liquido molto energetico: il perossido di idrogeno fornisce prestazioni

comparabili con gli altri ossidanti liquidi come tetrossido di azoto (NTO), ossigeno liquido ed acido nitrico. In generale è caratterizzato da un impulso specifico minore rispetto alle prime due sostanze, mentre è molto simile all’ultima.

Figura 2. 7 Impulso specifico del perossido di idrogeno ed altri ossidanti in razzi ibridi [5].

Elevati rapporti ossidante-combustibile (O/F) : L’impulso specifico del perossido di

idrogeno in genere viene ottimizzato con un rapporto O/F elevato rispetto ad altri ossidanti che reagiscono con lo stesso combustibile. Questo comporta che gran parte del propellente ha una elevata densità, con conseguente diminuzione della massa del serbatoio. I sistemi ad H2O2, dunque, sono caratterizzati da un rapporto di massa più

elevato rispetto a quelli che utilizzano altri ossidanti.

Compatibilità con vari gas di pressurizzazione: per ridurre l’incidenza del sistema di

pressurizzazione sulla massa totale del veicolo la soluzione migliore è quella di mantenere la sostanza pressurizzante allo stato liquido e a bassa pressione, per poi vaporizzarla e iniettarla nel serbatoio del combustibile. Il perossido di idrogeno può essere utilizzato per fornire l’energia di cui questo processo ha bisogno.

2.2 Altre proprietà del perossido di idrogeno

Nell’ appendice A sono riportate altre proprietà fisiche di interesse del perossido di idrogeno, come la viscosità, la tensione superficiale ed il diagramma di fase liquido-vapore. Oltre a queste sono presentati alcuni dati riguardanti le principali funzioni termodinamiche (entalpia, entropia, energia libera) e alcune caratteristiche dei prodotti di decomposizione come, ad esempio, il volume di ossigeno liberato.

2.3 Riferimenti

[1] M.F. Easton, A.G. Mitchell, W.F.K. Wynne-Jones, Trans. Faraday Soc. 48:796 (1952).

[2] G. Scatchard, G.M. Kavanagh, L.B. Ticknor, J. Amer. Chem. Soc. 74:3715-3720 (1952).

[3] CEFIC, Hydrogen Peroxide Bulk Storage Guideline. [4] M. Kroutil, M. Vender, Chem. Prumysl., 14:412-415 (1956).

[5] M. Ventura, P. Mullens, The Use of Hydrogen Peroxide for Propulsion and

Power, AIAA Paper 99-2880, , 35th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference, Los Angeles, USA, June 1999.

[6] M. Ventura, E. Wernimont, Review of Hydrogen Peroxide Material Safety Data

Sheets, AIAA Paper 2002-3850, 38th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference, Indianapolis, USA, July 2002.

[7] M.Ventura, S. Yuan, Commercial Production and Use of Hydrogen Peroxide, AIAA Paper 2000-3556, 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Huntsville, USA, June 2000.