DE102022000497A1 - Reaktions- und Auslegungskonzept für Triebwerke zur katalytischen Steuerung / energetischen Auslösung (z.B. mit Metallzusätzen) der inneren Geschwindigkeit (Beschleunigung) und Austrittsgeschwindigkeit mit Beeinflussung von Temperatur sowie Druck für einen verbesserten Wirkungsgrad und Brennraumanpassung (Treiber-Konzept) - Google Patents

Abstract

Die Leistungsfähigkeit von chemischen Triebwerkssystemen (z.B. Raketen) wird durch die zugrundeliegende chemische Reaktion begrenzt. Chemische Energie wird in thermische und dann in kinetische Energie umgewandelt. insbesondere thermische und kinematische Strahlverluste sind relevant. Bei chemischen Raketen werden typischerweise 40-70% der aufgewendeten Leistung (zugeführte chemische Energie) für tatsächlichen Schub realisierbar. Bei luftatmenden Antrieben ist der Ausbrand des Treibstoffes zu maximieren. Das Treiber-Konzept soll mittels Katalysatoren den energetischen Wirkungsgrad steigern.Katalysatoren können durch gesenkte Aktivierungsenergie die Prozessbedingungen wie Druck, Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit verändern. Hierdurch kann die Brennraumgeometrie und der Massenstrom energetisch optimiert werden. Verschiedene Formen, stoffliche Kombinationen und Technologien erlauben Vorteile. Auch eine verbesserte Regelung von Triebwerken wird angestrebt. Durch verschiedene Maßnahmen sind höhere Einsetztemperaturen und Aktivitäten möglich.Luft- und Raumfahrt

Description

• A - Einleitung
• Um z.B. von der Erde in die Erdumlaufbahn oder den weiteren Weltraum zu gelangen ist die Bereitstellung großer Energiemengen in relativ kurzer Zeit erforderlich. Insbesondere das Schwerefeld der Erde, der Luftwiderstand und Energieverluste (z.B. durch Totlasten, Verluste bei Energieumwandlung) sind zu überwinden. Für die Verbringung von Nutzlasten in die Erdumlaufbahn und den weiteren Weltraum (z.B. für Satelliten, Raumfahrzeuge, Transportgüter) sind nach derzeitigem Stand der Technik chemische Raketentriebwerkssysteme im Einsatz. Die Leistungsfähigkeit der chemischen Triebwerkssysteme wird durch die zugrundeliegende chemische Reaktion und deren technische verlustbehaftete Energieumwandlung begrenzt. In wenigen Minuten werden die Reaktionspartner im Triebwerkssystem möglichst vollständig umgesetzt. Dabei kann der Treibstoff ca. 90% der Gesamtstartmasse umfassen. Chemische Energie wird überwiegend in thermische und dann möglichst in kinetische Energie umgewandelt. Dabei wird die Energie teilweise abgestrahlt (Wärme), in latente Wärme, und Reibung des Flugkörpers umgewandelt. Bei großen Triebwerkssystemen gehen durch thermische Strahlverluste ca. 2 % und bei kleinen Triebwerkssystemen gehen ca. 29 % der aufgewendeten chemischen Energie für den Schub verloren. Durch weitere kinematische Strahlverluste gehen z.B. bei einem kleinen Triebwerkssystem (Rakete) ca. 25 % der aufgewendeten chemischen Energie für den Schub verloren. Nach Abzug weiterer Verluste stehen typischerweise 40-70% der aufgewendeten Leistung (zugeführte chemische für den tatsächlichen Schub chemischer Raketentriebwerkssysteme zur Verfügung [6].
• Katalysatoren können Einfluss auf chemische Prozesse ausüben. Zur Wirkungsweise sind mehrere Theorien im Umlauf. Es wird beschrieben, dass Katalysatoren hochreaktive Radikale bilden. Eine weitere Theorie beinhaltet den Einfluss bestimmter elektromagnetischer Strahlung und Katalysatoren bzw. chemischen Reaktionen. Dieser photo-katalytische Effekt ist in [9] erläutert. Allgemein werden in der chemischen Industrie bereits heute überwiegend Prozesse mit Katalysatoren verwendet um die Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Ausbeute je Reaktion zu steigern (ca. über 80% der chemischen Prozesse mit steigender Tendenz). Hervorzuheben ist, dass Katalysatoren somit Emissionen vermindern (z.B. H₂O oder CO₂), Schadstoffe reduzieren (ggf. CO oder NOx), den Ausbrand der Reaktionspartner und vor allem den energetischen Wirkungsgrad erhöhen. Gleichzeitig kann abhängig der Reaktion eine Steigerung der Leistung, Betriebssicherheit und Lebensdauer erreicht werden. Dies trägt weiter zur Umweltbilanz bei. Nach heutigem Kenntnisstand reduzieren Katalysatoren vor allem die erforderliche Aktivierungsenergie durch Überbrückung der Bindungen in den Reaktionspartnern. Je nach Reaktion kommen dabei unterschiedliche Katalysatoren in wechselnden Einsatzbedingungen zur Anwendung (bzw. begleitende Promotoren usw.). Die Entwicklung und Optimierung der Katalysatoren ist ein unvollständig ausgeschöpftes Zukunftsfeld der Technik. Dieses Zukunftsfeld besitzt ein noch nicht abschätzbares Potential, auch im ingenieurtechnischen Bereich der grundsätzlichen Auslegung. Dieses Konzept liefert hierzu konkrete Ansätze. Der bisher erzielbare Nutzlastanteil der Gesamtstartmasse für den niedrigen Erdorbit ist im unteren Prozentbereich begrenzt. Daher ist eine Leistungssteigerung von Antriebssystemen vorteilhaft um Gutes, bzw. Effekte für Weltraumbergbau, bzw. Weltraumbesiedlung zu erzielen und eine weitere industrielle Welle voranzutreiben.
• Die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ist allgemein begrenzt, kann jedoch in Gegenwart von geeigneten Katalysatoren erhöht werden. Auch sind Umsetzungsgrade vom Reaktionsgleichgewicht abhängig und können durch Katalysatoren beeinflusst werden. Ein Einsatz von Katalysatoren ist insbesondere bei neueren Antriebskonzepten, wie z.B. luftatmenden Triebwerksystemen durchführbar (Ramjet, Scramjet, Multimode, Pulsstrahltriebwerk). Die Einflussparameter in diesen Triebwerkssystemen unterliegen teilweise erheblichen Schwankungen. Auch begründen kurze Verweilzeiten von Treibstoff, bzw. Luftmassenstrom den Einsatz von Katalysatoren. Der Einsatz von Katalysatoren stellt eine mögliche Optimierung des Ausbrandes von Oxidator, bzw. Treibstoff dar. In Raketentriebwerkssystemen ist zwar die Reaktion durch fortlaufende Optimierung bereits nahezu vollständig, kann jedoch für weitere energetische Effekte angepasst werden. Auch ist ein weiterer Einsatz von Katalysatoren bei Aerospikes, bzw. fortschrittlichen Düsenkonzepten vorteilhaft um thermische Herausforderungen zu bewältigen.
• So können Katalysatoren nicht nur eingesetzt werden um bei endothermen Reaktionen wie z.B. dem Haber-Bosch-Verfahren die erforderlichen Temperaturen zu senken und gleichzeitig die Ausbeute zu erhöhen. Auch bei exothermen Reaktionen, bzw. Verbrennungen können vergleichbare Ergebnisse mit veränderten Prozessbedingungen wie z.B. Reaktionszeiten, Verbrennungstemperaturen oder Drücken erzielt werden. Beispielsweise führt [12] hierzu aus, dass durch geeignete Katalysatoren bei gleicher Temperatur höhere Reaktionsgeschwindigkeiten bestehen. Für Fluggasturbinen kann mittels unterstöchiometrischer Verbrennung die Temperatur um über 1.000 K gegenüber stöchiometrischer Verbrennung gesenkt werden. Grundsätzlich ist die Stöchiometrie in chemischen Triebwerken nicht immer gleichmäßig im Brennraum angelegt. Für die Verbesserung des Wärmehaushaltes und des Schubes wird z.B. teilweise bei . Raketentriebwerkssystemen in Wandnähe brennstoffreicher verbrannt.
• Sinngemäß um eine Verschlagwortung zu erleichtern wird das folgende Konzept als Treiber-Konzept bezeichnet um die chemische Reaktion im erwünschten Sinne voranzutreiben. Anders formuliert sind die Triebwerkssysteme in einem erweiterten Einsatzbereich mit größtmöglicher Sicherheit zu betreiben. Das Ziel ist die effektive Unterstützung des Heber-Konzeptes (Az 10 2021 004 807.5) unter den wechselnden Einsatzbedingungen, z.B. auch durch die gewünschte frühestens mögliche Leistungsbereitschaft in einem Kaltstartszenario. Zusammengefasst macht sich das Treiber-Konzept die Eigenschaft von Katalysatoren zunutze auch unter verringerter Umgebungstemperatur eine explosionsartige Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgasreaktion), aber auch Methan und Sauerstoff zu bewirken. Kombinationen mit weiteren Reaktionspartnern sind ebenso möglich.
• Diese Patentanmeldung beinhaltet ein Konzept zu Möglichkeiten bei katalytischen Verbrennungen chemischer Triebwerkssysteme als Basistechnologie. Eine weitere Basistechnologie eingereicht vom gleichnamigen Anmelder stellt die kontaktlose elektromagnetische Zündung und Stimulation der Verbrennung dar (Az 10 2021 001 272.0). Diese Basistechnologie wurde benannt als „Verbrennungs- und Zündkonzept“. „Im angepassten Verfahrenskonzept“ (Az DE 10 2021 004 141.0 ) des gleichnamigen Anmelders werden demgegenüber die übergeordneten Möglichkeiten beider Basistechnologien variabel und ergänzend zusammengeführt.
• Stand der Technik von Katalysatoren
• Katalysatoren bestehen aus einem oder mehreren katalytischen Stoffen (z.B. Platin) und können durch Promotoren / Stabilisatoren und Co-Katalysatoren (z.B. Palladium) usw. ergänzt und verstärkt werden. Katalysatoren werden nach Wirkungspfad unterschieden in heterogene Katalysatoren (separate Phase zu Reaktionspartner) und Homogene Katalysatoren (gemeinsam in Phase mit Reaktionspartnern, z.B. flüssig). Grundsätzlich wird auch in Primär- (Anordnung vor, bzw. in Brennraum) und Sekundärkatalysatoren unterschieden (angeordnet nach Brennraum zur weiteren Abgasreinigung). Die folgenden Ausführungen beziehen sich ausschließlich auf Primärkatalysatoren, da diese im Bereich der Luft- und Raumfahrt maßgebend sind.
• Hauptsächlich werden Katalysatoren aus Elementen der Platingruppe und Edelmetallen verwendet (z.B. Gold). Bei Einsatz verschiedener Elemente kann es zu einer Steigerung der katalytischen Aktivität kommen (siehe z.B. Patentschrift DE 600 16 706 T2 ). Bereits geringe Spuren von Katalysatoren können eine erhebliche Wirkung auf den Prozess haben. Für hochwirksame homogene Katalysatoren (z.B. Edelmetalle wie Platin) sind typischerweise bereits Millionstel oder Milliardstel Massenanteile auf den Treibstoff ausreichend ( DE 600 16 706 T2 ). Bei hochwirksamen heterogenen Katalysatoren sind ggf. bereits teilweise tausendstel Millimeter Schichtdicke ausreichend (abhängig z.B. von Prozessbedingungen). Beschreibungen sind enthalten in der Patentschrift DE 195 00 997 C1 .
• Katalysatoren werden bereits seit vielen Jahren verschiedentlich gefertigt und angewendet. Die Patentschrift GB00000153113A4 (01.11.1978) publiziert zur Umformung von Blechen und erläutert wie Bleche in ZigZag aufgerollt werden um z.B. katalytische Grundkörper herzustellen.
• Im Bereich der chemischen Triebwerkssysteme sind Verfahren mit Katalysatoren bereits teilweise im Einsatz und der zunehmenden Erforschung. Dies gilt sowohl für Luftatmer als auch für Raketentriebwerkssysteme. Üblicherweise kommen bei Flüssigantrieben als Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff, Methan und Sauerstoff, oder auch längerkettigere Kohlenwasserstoffe zum Einsatz (z.B. Kerosin / RP1). Als Katalysator wird allgemein Platin bevorzugt.
• Um den Schub zu erhöhen und die Werkstoffe des Brennraumes im zulässigen thermischen und werkstoffverträglichen Betriebsmodus zu behalten werden Treibstoffkomponenten überwiegend im nicht stöchiometrischen Verhältnis verbrannt (brennstoffreich). Sauerstoff reagiert insbesondere bei hohen Temperaturen und in Radikalform sehr aggressiv.
• Heterogene Katalysatoren
• Bisher sind heterogene Katalysatoren allgemein dem Brennraum vorgeschaltet (z.B. als Katalysatorbetten), bzw. nicht in den Brennraum integriert. Hierdurch wird eine Rekombination der einzelnen Ausgangsprodukte ermöglicht, z.B. die Rekombination von H zu H₂. Dabei wird die katalytische Wirkung teilweise wieder aufgezehrt, abhängig von Einspritzbedingung (Druck, Temperatur). Eine einzige Ausnahme ist in einer Patentschrift enthalten ( US 0000 0354 5879 A vom 18.01.1969). Hier wurden Scheiben aus Katalysatormaterial im Brennraum definiert aus Silber oder Nickel dotiert mit seltenen Erden (z.B. Samarium) mit kleinen Durchlässen entwickelt. Da diese technische Lösung bis zu einer Brennraumtemperatur von maximal ca. 980°C als zulässig bezeichnet wird (bzw. 1.800° F), werden als Treibstoffe Hydrazin (H2O2) und Wasserstoffperoxid (N₂H₂) angegeben. Die Anwendung ist sowohl für Mono- als auch Bipropellant ausgelegt, oder Monergole / Digole. Diese Treibstoffe sind technisch jedoch heikel, bzw. hochgradig toxisch.
• Mit Patentschrift US 20200049103A1 für Aerospikes wird der Treibstoff Rocket-Propellant 1 (RP1) und Katalysatoren aus Kaliumpermanganat erfasst. Die Katalysatoren sind primär aus Aluminiumschaum (Aluminium-Oxid) aufgebaut, welches mit Kaliumpermanganat imprägniert ist. In einer sekundären Stufe werden Aluminiumkeramikpellets gesättigt mit Kaliumpermanganat erfasst.
• Entsprechend Patentschrift DE 602 03 315 T2 sind für die Reaktion von Dampf und Methan (Dampfreformierung) z.B. Platin/Rhodium-Katalysatoren besonders geeignet. Für die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, bzw. Kohlenwasserstoffen sind Platinkatalysatoren üblich. Hierzu ist laut Patentschrift DE 195 00 997 Cl eine Platinschichtdicke von 0,05 bis ca. 0,09 µm bereits ausreichend, bei niedrigeren Reaktionstemperaturen.
• In der Patentschrift US 0000 3407,604 wird zum Einsatz heterogener Katalysatoren bei Raketentriebwerkssystemen für Sauerstoff und Wasserstoff ausgeführt. Es wird die technische Machbarkeit an Rhodium und Platin-Rhodium-Katalysatoren erläutert. Demnach sind stabile Zündtemperaturen bis in den Bereich zwischen -50°C und -253°C und Verbrennungstemperaturen mit 1.100°C und höher umsetzbar. Hierfür werden Brennräume mit Katalysatorkörpern mit maximaler spezifischer Oberfläche bevorzugt. Für die heterogenen Katalysatoren weist das beschriebene Grundmaterial aus Metalloxiden spezifische Oberflächen von teilweise deutlich über 100 m²/g aus. Es wird der gesamte Querschnitt des Brennraumes verwendet. Die Gestaltung des Brennraumes mit der Lavaldüse selbst ist nicht Erfindungsgegenstand dieser historischen Patentschrift.
• Dagegen verursacht. die gesteigerte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, bzw. Methan und Sauerstoff höhere Temperaturen im Brennraum. So dass diese technische Lösung für heutige Hauptantriebssysteme nicht ausreichend im Dauerbetrieb geeignet ist.
• Verschiedene Patentschriften führen zum geeigneten Einsatz von heterogenen Katalysatoren bei Ramjets und Scramjets im Kraftstoff-/ Kühlungssystem aus (z.B. US 8 882 863 B2 , US 2008 0257146 A1 ).
• Gemäß Patentschrift DD 77961 ist alternativ die Steigerung der Aktivität um eine Größenordnung möglich. Die Katalysatoren sind vorlaufend durch hochenergetische Ionen zu behandeln.
• Teilweise wird an Katalysatorbetten für Raketentriebwerksysteme gearbeitet (z.B. Patentschriften EP 0 0000 3128 165 A1 oder US 2013 0205 754 A1 ). Katalysatorbetten sind für kleinere Antriebssysteme und Monopropellants / Monergole geeignet (u.a. aufgrund des Strömungswiderstandes). Daher werden diese Systeme insbesondere für die gepulste Verbrennung, gesteuert über Ventile eingesetzt (z.B. Patentschrift US 2009 0120 060 ). Die Patentschrift US 2013 0205 754 schlägt ein Katalysatorbett mit Iridium, Platin, Rhodium, Wolfram, Kupfer, Kobalt, oder auch Gold für kohlenwasserstoffhaltige Treibstoffe vor. „Embedded Trigger“ (Imbedded Trigger) beigemischt im Prozentsatz werden für katalytische Eigenschaften des Treibstoffes selbst, vor der Reaktion mit dem Oxidator vorgeschlagen (z.B. in RP1: N₂O/N₂O₄). Im Gegensatz zu Katalysatoren reagieren diese Stoffe jedoch selbst und werden verbraucht. Hierzu wird auch auf die Patentschrift US 2016 0176 771 A1 verwiesen.
• Homogene Katalysatoren
• Allgemein kann der homogene Katalysator als Partikel in Suspension gebracht, oder fein verteilt als Pulver zugegeben werden. Vereinfachend wird im Folgenden die pulverförmige Zugabe als homogener Katalysator definiert. Alternativ sind z.B. feine Fasern / Faserbündel möglich.
• Gemäß Patentschrift DE 600 16 706 T2 mit Veröffentlichung vom 19.01.2006 ist das homogene Einbringen eines Gemisches von Metallen in die Flammzone eines Brennraumes für Fahrzeuge erfasst. Die Metalle bestehen aus Platin, Rhodium, Rhenium und Molybdän. Hierdurch wird eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffes bei gleichzeitiger Vermeidung endothermer Reaktionen angestrebt (z.B. verminderte Bildung von giftigen Stickoxiden). Anzumerken ist, dass Rhodium als giftiger Stoff eingestuft ist, einschließlich dessen Aerosole. Jedoch ist die in der Erfindung angegebene Dosierung sehr niedrig. Die Erfindung betrifft Kraftstoffe und deren Verbrennung mittels Lufteinspritzung, sowie konkrete Mischungsverhältnisse von Platin, Rhodium, Rhenium und Molybdän. Zur Einbringung wird der Dampftransport in den Brennraum, die Einmischung in Kraftstoff und/oder Luft erfasst. Gemäß der angeführten Ausführungsvariante dieser Patentschrift sind beachtliche Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz von ca. 12 - 48 % bei den ausgewählten Kraftfahrzeugen möglich.
• Patentschrift US 2005 0044 778 A1 beschreibt die Zugabe metallischer Zusätze in Kraftstoffe, u.a. von Trimethoximethylsilane in Düsentriebwerken, bzw. in der Luftfahrt. Die Patentschrift beschreibt die Verbesserung des Wirkungsgrades kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoffe durch metallische Zusätze. Hierfür werden unter anderem Zusätze von Alkali- und Erdalkalimetallen vorgeschlagen.
• Die Patentschrift US 2011 0154 726 A1 (bzw. US 2009 0056 207A1 ) - COMBUSTION MODIFER AND METHOD FOR IMPROVING FUEL COMBUSTION erfasst die Zugabe metallischer Zusätze zu kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen. Hierunter werden eisenhaltige, bzw. ceriumhaltige organometallische Verbindungen aufgeführt. Gemäß dieser Patentschrift werden hierdurch die verbleibenden Rückstände im Innenraum und anderen relevanten Oberflächen aus der Verbrennung reduziert und der Kraftstoff früher gezündet. In Folge wurde der gemessene Kraftstoffverbrauch im angeführten Beispiel um ca. 40 % vermindert, gleichzeitig ist das Verhältnis von Luftsauerstoff zu Kraftstoff gestiegen, was auf eine vollständigere Verbrennung hinweist. Daraus wurde geschlussfolgert, dass ohne Katalysatoren die Verbrennungsrückstände im Innenraum die Verbrennung begrenzen, bzw. verlangsamen. Das Verhältnis von Additiv zu Kraftstoff lag bei maximal 3 g auf 20 gal (75,71) oder umgerechnet ca. 1 g_Additiv auf 25 1_Kraffitoff.
• Die Patentschrift WO 0019 9500 4119 A1 - FUEL ADDITIVES verweist darauf, dass Eisen, Mangan und Kupfer als homogene Katalysatoren potentiell Schäden an KFZ-Motorsystemen verursachen können. Daher werden hierfür Alkali / Erdalkali, Seltene Erden Metalle bevorzugt. Ziel ist die Erhöhung des Ausbrandes des Treibstoffes.
• Gemäß Patentschrift US 2018 0298 846 A1 verursachen im Triebwerk auftretende Druckstöße mögliche Temperaturschwankungen am Katalysator. Es können am Triebwerk selbst Schäden versucht werden. Die Lebensdauer des Triebwerkes wird so verkürzt. Daher sind laut dieser Patentschrift weitere Maßnahmen bei Betriebsbeginn.
• Im Übrigen technischen Bereich wird auch auf andere Katalysatormaterialien verwiesen. Ähnliche Bedingungen mit endothermen Umkehrreaktion liegen z.B. bei Batterien oder zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kraftstoffen vor. Die verwendeten Katalysatoren bestehen z.B. aus Niob, Zirkon, Wolfram oder Molybdän (Patentschrift US 2009 0123 360 A1 ). Das Material wird allgemein als elementar, Verbindung, oder Legierung aus diesen und weiteren Metallen, bzw. Übergangsmetallen beschrieben. Weitere Konkretisierungen fehlen. Auch die Dissoziation von Wasserstoff (Umkehrreaktion) in einer Brennstoffzelle mit einem zweiten Katalysator aus ca. 50 Elementen wird in den Ansprüchen erfasst (auch z.B. Pt, Mo, Re, W, Ps und Ir). Diese Beschreibung beinhaltet jedoch keine Beschreibung einer konkreten Legierung, oder den Bezug zur exothermen Reaktion von Wasserstoff.
• In einem anderen technischen Bereich für Brennräume in Kombination mit Turboladern werden gemäß Patentschrift WO 0020 1009 8746 A1 „SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING A CATALYST“ mehrere Reaktionskammern bevorzugt. Diese sind in Reihe geschaltet. Teilweise erfolgt ein paralleler Zustrom um die Druckstöße der Reaktion zu erhöhen. Dieser Ansatz stellt den Versuch dar, möglichst hohe und ausreagierte Massenströme zu erreichen. Dies erfordert ein umfassenderes System, mit zusätzlichem Platz- bzw. äußerem Strukturbedarf. Als Bestandteile der Katalysatoren werden aus dem Periodensystem allgemein die Elemente der Gruppe I, II, IVA, VI, VII, VIII, Perrhenic Acide, Metaperrhenate, Carbonyle, Halide, sowie jegliche Kombinationen daraus benannt. Platingruppenmetalle werden somit allgemein miterfasst. Zur Gruppe VI gehört unter anderem Wolfram, zur VII. Gruppe Rhenium. Vorgenanntes Patent ist an die geometrischen Bedingungen eines Mehrkammeraufbaus gebunden. Die Katalysatoren werden für den Arbeitsdruck des Systems verwendet.
• In der Patentschrift US 0000 0327 2879 A werden für kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoffe Katalysatoren als Lewis Säuren mit Friedel-Crafts Katalysatoren der Form HMeXn erfasst. Es werden metallhaltige Ione eingebracht, die gleichzeitig katalytisch wirken.
• Gemäß Patentschrift US 0000 0660 2067 B1 METHOD FOR IMPROVING FUEL EFFICIENCY IN COMBUSTION CHAMBERS kann durch Zugabe einer ionisierbaren metallischen Komponente (z.B. Chloride, Oxide, Hydroxide und Hydrate) die Effizienz kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoffe erhöht werden. Die metallische Komponente enthalten Goldteilchen. Die Verbrennung wird vollständiger und die Entstehung gefährlicher Nebenprodukte vermindert. Die vorgeschlagene Konzentration des Goldes beträgt lediglich 0,15 bis 225 µg_Gold / kg_Kraftstoff, das Optimum werde erreicht bei 10 - 20 µg_Gold kgKraftstoff. Hierbei kann z.B. Hydrogentetrachloroaurate HauCl₄.H₂O angewendet werden. Die angegebene Verbesserung in der Kraftstoffeffizienz liegt lediglich bei ca. 3 %. Die Reduzierung der Schadstoffemission liegt teilweise bei fast 50 % (NOx-Emission).
• Weitere Katalysatoren enthalten z.B. Kobaltoxid, Kupferoxid, Wolframoxid, bzw. Nickel und Eisen.
• Teilweise können eingeatmete homogene Katalysatoren auch giftig sein, bzw. stehen im Verdacht giftig auf Lebewesen wirken (z.B. Iridium-Osmium-Gemisch, Osmium). Osmium ist zudem eines der teuersten Elemente.
• Mit der Patentschrift US 7635 461 B2 COMPOSITE COMBUSTION CATALYST AND ASSOCIATED METHODS vom 22.12.2009 werden feine metallische Partikel aus brennbarem Kern, weiteren oxidischen und katalytischen Beschichtungen technologisch beschrieben. Diese sind allgemein für Treibstoffe, aber auch ausdrücklich für Ramjets und Scramjets vorgesehen. Die Partikel haben eine maximale Größe <1 µm. Eine Kombination mit heterogenen Katalysatoren ist nicht vorgesehen.
• Für Feststoffsysteme beschreibt die Patentschrift GB 00000 1252 497A aus dem Jahre 1969 die metallische Zugabe zu Feststoff-Treibstoffen für Raketen und Ramjets. Es werden gepulverte Zusätze von Be, Mg, Al, Zr oder Boron vorgeschlagen. Außerdem werden weitere Verbindungen von weiteren Metallen, wie z.B. Li, Na, K, Al, Mn, Zn, bzw. eisen- / nickel- / cobalthaltige Verbindungen vorgeschlagen.
• Für Feststoffsysteme sind zudem reaktionsspezifische Druckexponenten üblich - „n“ benannt. $$\text{n}=\text{d ln r/d ln p}$$

  
• Nachteile des Standes der Technik - Luft/Raumfahrt
• Grundsätzlich entstehen bei chemischen Triebwerkssystemen verlustbehaftete Energieumwandlungen. Gemäß [6] sind typischerweise 40-70 % der aufgewendeten chemischen Energie für den tatsächlichen Schub nutzbar. Die Wirkungsgradverluste von 30-60% sind zu reduzieren.
• Temperatur wird zwar zur Steigerung der Reaktion und der Austrittsgeschwindigkeit am Triebwerk verwendet, kann jedoch z.B. gegenüber Druck nicht durch Wandungen abgeschirmt werden. Dies verhindert unter anderem die Wärmeleitung.
• Katalysatoren können für 2 Hauptfunktionen eingesetzt werden (indirekt / direkt). Katalysatoren können direkt zur Zerlegung der Ausgangsprodukte in kleinere höherreaktive Bestandteile beitragen (sowohl endotherm als auch exotherm), oder auch den Verbrennungsprozess der Reaktion der Ausgangsprodukte selbst beschleunigen. Hierzu führt die Patentschrift US 0 2019 0209 997A1 aus. Indirekt können Katalysatoren neben der Erhöhung der Ausbeute auch zu einer Änderung der Reaktionstemperatur und -druck führen. Insbesondere auf Letzteres wird im Stand der Technik noch nicht abgezielt.
• Derzeit werden direkt wirkende Katalysatoren bei Flüssigtreibstoffen nicht / oder nicht zur entscheidenden Brennraumoptimierung eingesetzt. Die Patentschrift US 0 2019 0209 997A1 führt zu einer Überschallverbrennung mittels vorlaufender katalytischer Reformierung der Treibstoffe aus. Durch den derzeitigen Stand der Technik wird die Reaktionsfreudigkeit der vorhandenen chemischen Antriebssysteme teilweise jedoch noch nicht voll ausgereizt, da die energetische Anpassung der Brennräume / Brennkammern fehlt. Der Schub ist jedoch ein Produkt aus Masse und Beschleunigung. Die größtmögliche Beschleunigung ist auch abhängig von der chemischen Reaktion. Hohe Betriebstemperaturen in den Brennräumen und Triebwerken können zu wachsenden Energieverlusten, zusätzlicher Bindung von Energie durch Dissoziation der Moleküle [6], thermomechanischen Belastungen oder Hitzestress im Werkstoff führen. Die Ergebnisse sind eine Verkürzung der Lebensdauer von Komponenten und weiterem Aufwand zur Kühlung. Zudem sind Werkstoffe mit einer entsprechenden Warmfestigkeit teuer und komplex. Freie noch nicht ausreagierte Reaktionspartner (Radikale) sind sehr reaktiv und greifen das Triebwerk an (z.B. Sauerstoff). Gemäß [6] führen einzelne Verbrennungszentren in den Brennräumen zu Schwingungen der Temperatur und vor allem des Drucks. Hieraus resultieren Störungen. Es besteht zudem die Gefahr von ungleichmäßiger Verbrennung und Verpuffungen durch unvollständig gezündeten Treibstoff. Die Gefahr von zerstörerischen Druckstößen wird erhöht. Auch können unzulässige Temperaturschwankungen im Triebwerk resultieren.
• Zudem sind Katalysatoren gegen Verschmutzungen und vor thermischen oder mechanischen Schädigungen zu schützen. Die Patentschrift US 0000 3407,604 von 1968 verzichtet hierzu auf entscheidende Aussagen.
• Gemäß US 2013 0205 75 A1 kann durch dem Brennraum vorgeschaltete Katalysatorbetten eine spontane Dekomposition der Treibstoffe erfolgen (z.B. von Rocket Propellant 1 - RP1) - wodurch ggf. unkontrolliert Hitze entsteht und die Reaktion nachteilig beeinflusst werden kann.
• Für leistungsgesteigerte Düsenkonzepte bestehen hohe thermische Anforderungen. Hierzu zählen insbesondere Aerospikes, oder auch gewichtsreduzierte Glockendüsen. Aerospikes können bisher nicht erfolgreich mit Hochtemperatur-/Hochleistungstreibstoffen im Dauerbetrieb realisiert werden (z.B. O₂/H₂; CH₄ und O₂). Der konzentrierte Wärmeeintrag am Düsenhals erfordert zusätzliche Maßnahmen. Allgemein wird jedoch eine hohe Verbrennungstemperatur angestrebt um die Austrittsgeschwindigkeit an der Düse zu maximieren. Dies ist allerdings z.B. durch Warmfestigkeiten begrenzt und energetisch verlustbehaftet (insbesondere bei kleineren Düsen). Umgekehrt ist ein Einsatz von Katalysatoren unter erhöhten Temperaturen wünschenswert, da die katalytische Aktivität mit steigender Temperatur zunimmt [3]. Hochtemperaturkatalysatoren sind leistungsstark, jedoch nicht im Brennraum verbreitet.
• Gemäß [1] ist die Oberflächenbeschaffenheit ein wichtiger Einflussfaktor für die chemische Aktivität der Katalysatoren. So kann beispielsweise Platin durch eine feine, teilweise diffuse Mikrostrukturierung ein Vielfaches des Volumens an Wasserstoff aufnehmen und in Wechselwirkung treten. In zahlreichen Patenten und Schriften wird nicht oder lediglich nachrangig auf die Oberflächenbeschaffenheit der Katalysatoren eingegangen. So wird teilweise bei pulverförmigen homogenen Katalysatoren auf die Korngröße eingegangen. Bei homogenen Katalysatoren bedeutet eine verringerte Korngröße eine Zunahme der spezifischen Oberfläche je Volumen des Katalysatormaterials. In einem Beispiel wurde auf die Zugabe von Partikeln <10 µm in Fluiden hingewiesen (Patentschrift US 2005 0070 431 A1 ). In [3] wird über technologische Verbesserungen von Platinkatalysatoren in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften ausgeführt. Hierzu wird darauf verwiesen, dass zunehmende Porenvolumen auf die Katalysatoraktivität einen positiven Einfluss ausüben. Dagegen kann ein zu hoher Anteil an Kanten-/Eckenatomen den. Katalysator durch zu starke Adsorption der Reaktanden unwirksam machen (Fouling-Effekt). Flache Terrassen auf atomarer Ebene sind dagegen katalytisch günstig. Der negativ zu bewertende Anteil der Kanten-/Eckenatome (resultierender Fouling-Effekt) bezieht sich jedoch auf eine Strukturgröße im Nanometerbereich [3]. Im Rahmen dieser Patentschrift wird eine „moderate“ Rauigkeit im Millimeterbereich (Untergrund der Beschichtung, bzw. Grundstruktur z.B. als Schwamm) und Mykrometerbereich (Beschichtung) als vorteilhaft bewertet. Die spezifische Oberfläche und der Stoffaustausch durch Randströmung werden erhöht. Hierzu sind verschiedene mechanische und elektromagnetische Verfahren beschrieben.
• Die Eintrittstemperatur der Reaktionspartner erhöht die Reaktionsfreudigkeit. Maßstab bildet die Arbeitstemperatur der Katalysatoren und teilweise deren mögliche Kühlung. Höhere Eintrittstemperaturen der Reaktionspartner bedeuten z.B. eine tendenziell frühere Auflösung der Molekülbindungen verbunden mit höherer Reaktionsfreudigkeit.
• In der Patentschrift US 2003 0074 887 wird z.B. eine Kühlung eines Katalysatorbettes (vor dem Brennraum) durch einen Bypass mit 5 % des zu zersetzenden Stoffes beschrieben. Bei Aufteilung des Brennraumes in mehrere katalytische Reaktionskammern, bzw. vorgeschaltete Katalysatorbetten entsteht. Zusatzaufwand. So entstehen energetische Verluste und es erfolgt eine Reduzierung des erzielbaren Massenstromes. Hierdurch wird die Leistungsfähigkeit des Triebwerkes begrenzt.
• In der Patentschrift EP 3591 210 A1 zu Ramjets werden metallische Partikel beschrieben, die in einer reaktiven Kühlung eingebunden sind. Die thermale Dissoziation soll vor Einspritzung im Treibstoff gefördert werden. Dem wirkt jedoch die begrenzte Kontaktzeit im Kühlbereich und der Abstand zum Brennraum teilweise wieder entgegen.
• Bereits vor Überschreitung der Schmelztemperatur des Katalysators kann eine oberflächennahe Phasenbildung (flüssig + fest) und eine Degradation der katalytischen Oberflächenwirksamkeit, bzw. dessen Versinterung / Anschmelzen erfolgen. Aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen in Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerken (bzw. Methan-Sauerstoff-Triebwerken) ist eine Integration des heterogenen Katalysators in den Brennraum bisher,bei Hochtemperaturen im Dauerbetrieb nicht bekannt. Zwar erhöht die Verbrennungstemperatur die Austrittsgeschwindigkeit des Triebwerkes, doch wird auch der Werkstoff-/Kühlungsaufwand erhöht. Hieraus resultieren letztlich Wärmeverluste des Antriebssystems und erforderliche Veränderungen des Massenstromes zur verlustbehafteten Energieumwandlung. Zur gesteigerten Umsetzung und Steigerung der Austrittsgeschwindigkeit sind daher Katalysatoren energetisch sinnvoll.
• Die Auflösung der Molekülbindungen der Reaktionspartner erfolgt in Kontakt, bzw. Nähe der Katalysatoren, da die Atome in Wechselwirkung zum Katalysator reagieren. Hierzu ist führt die Patentschrift US 0 2019 0209 997A1 mit einer angestrebten Reformierung der Treibstoffe bei der reaktiven Kühlung aus. Allerdings ist bei einer räumlichen Trennung von Katalysator und Brennraum die katalytische Reichweite überschritten, bzw. zu mindestens die katalytische Reichweite herabgesetzt (z.B. bei katalytischen Zuleitungen vor dem Brennraum). Dies gilt insbesondere bei Startbedingungen, bzw. dem technischen Einfahren des Katalysators. Vor dem Einfahren ist die ideale Arbeitstemperatur des Katalysators nicht erreicht. Hierdurch wird der Verbrennungsvorgang im Triebwerk beeinträchtigt.
• Insbesondere wegen der Aggressivität des Oxidators wird häufig keine Verbrennung im stöchiometrischen Verhältnis der Reaktionspartner durchgeführt (z.B. in Nähe der Brennraumwände). Teilweise führt die nicht-stöchiometrische Verbrennung aber auch zu höherem Schub. Bei luftatmenden Triebwerkssystemen (z.B. Ramjets und Scramjets) sind heterogene Katalysatoren bisher nicht im Brennraum in der Anwendung. In der Patentschrift EP 2 475 859 B1 RALEIGH-TAYLOR ASSISTED COMBUSTION AND COMBUSTORS ADAPTED TO EXPLOIT RAYLEIGH-TAYLOR INSTABILITY FOR INCREASING COMBUSTION RATES THERIN werden in einer transversal beschleunigten Strömung für Ramjets senkrecht angeordnete Katalysatoren beschrieben.
• Insbesondere die Kombination von heterogenen und homogenen Katalysatoren stellt einen aussichtsreichen Ansatz dar um vorgenannte Nachteile mit vertretbarem Aufwand zu minimieren. Weitere Effekte sind zu erzielen. Fouling an heterogenen Katalysatoren ist zu reduzieren. Hierzu fehlen jedoch übrige Patentanmerkungen. Dies kann mittels homogenen Katalysatoren begegnet werden. Die homogenen Katalysatoren können zugleich für die kontaktlose elektromagnetische Zündung und Stimulation der Verbrennung genutzt werden um eine energetisch gesteigerte Verbrennung zu erreichen (siehe auch Patentanmeldung DE 10 2021 001 272.0 des gleichnamigen Anmelders).
• Für Feststoffsysteme sind zu Druckexponenten von Katalysatoren entscheidende Aussagen zur Klopf- und Klingelintensität schwierig. Ein möglicher Grund stellt die teilweise dynamische Verbrennung dar. Bei Verbund von Binder und energetischem Material können schlechter Abbrand und ungleichförmige Ablösungen entstehen. Flüssige Treibstoffe erlauben jedoch eine gleichmäßigere Einbringung und Reaktion im Brennraum.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist die Wirkungsgradsteigerung von chemischen Triebwerkssystemen.
• Darüber hinaus sollen die Lebensdauer und Betriebssicherheit erhöht werden. Eine Verwendung von Katalysatoren an den Generatoren der Turbopumpen soll die Leistung beim Anlaufverhalten und Regelbetrieb verbessern. Gleichzeitig kann durch verringerte Temperaturentwicklung die Festigkeit der Werkstoffe maximiert werden.
• Es sind zusätzliche Betriebsweisen möglich. Eine räumliche Steuerung der Verbrennung ist durch entsprechende Platzierung der Katalysatoren durchführbar. Zudem ist eine beschleunigte und möglichst vollständige Reaktion erleichtert. Die spezifische Leistungsfähigkeit der Brennräume als Masse (= Totlast) wird erhöht. Anforderungen an die Kühlung können reduziert werden. Insbesondere in der Startphase kann ein höherer Schub vorteilhaft sein um die Gesamtstartmasse größtmöglich zu beschleunigen.
• Für luftatmende Antriebe ist eine Aufgabe der Erfindung eine möglichst weiter vervollständigte Verbrennung zur Reduzierung des Treibstoffaufwandes - verbunden mit minimalen Strömungs-/ Druckverlusten. Die Reaktion soll vorzeitig abklingen und unverbrannte Zwischenprodukte / Restbestandteile / Rückstände sollen weiter reduziert werden. Hierdurch wird eine vorzeitige Degradation des Triebwerkes vermindert und der Betriebsmodus stabilisiert, bei gleichzeitig / angestrebter Erhöhung der Betriebssicherheit. Weiter soll die Verbrennung bei niedrigerer Temperatur und geringerer Reaktionszeit zu höheren Austrittsgeschwindigkeiten und -drücken führen.
• Im Hinblick auf ein möglichst vollständig wieder verwendbares Triebwerkssystem, z.B. für Hin-/ Rückflüge zum Mars bei gleichzeitig maximierter Betriebssicherheit sind Katalysatoren eine interessante technische Ergänzungsmöglichkeit. Eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit reduziert zudem die Verluste verursacht durch das Schwerefeld der Erde. Denn das Flugobjekt muss weniger lang gegen die Erdbeschleunigung gehalten werden, bevor eine stabile Umlaufbahn erreicht werden kann.
• Lösung der Aufgabe
• Zur Lösung der Aufgabe (Wirkungsgradsteigerung) werden folgende energetische Varianten genutzt:
• [1] Verbrennung bei reduzierter Verbrennungstemperatur
• [2] Steigerung des Druckes, bzw. der Impulse im Triebwerk
• [3] Verbrennung mit höherem Massenstrom
• [4] Verbrennung mit erhöhter Temperatur
• [Variante 1] Verbrennung bei reduzierter Verbrennungstemperatur
• Bei einer Verbrennung mit reduzierter Temperatur können Temperaturverluste reduziert werden. Die thermischen Strahlverluste können bei einigen chemischen Triebwerken ca. 25 % der aufwendeten chemischen Energie betragen [1].
• Beispielsweise bei einer Mager-Vorvermischungsverbrennung können in Kombination mit mehrstufiger Verbrennung Temperaturen reguliert und die Verbrennungstemperatur reduziert werden [8]. Hierzu kann z.B. durch Kombination von heterogenen und homogenen Katalysatoren der Brennraum verschiedenartig gestuft werden.
• So wird bereits nach Stand der Technik in Brennräumen am Rand ein brennstoffreicheres Gemisch verwendet um die Temperatur zu in Wandnähe zu begrenzen. Dieses stöchiometrische Gefälle wird im Folgenden in Wandnähe weiter berücksichtigt. Der Grund ist das sauerstoffreiche Verbrennung mit hoher chemischer Aggressivität des Triebwerkes verbunden ist. Es ist jedoch anzumerken, dass die mit diesem Konzept angestrebten niedrigeren Verbrennungstemperaturen eine Entlastung darstellen können.
• Es bietet sich daher ein vorgeschalteter heterogener Katalysator an, der den mittleren Massenstrom mager bzw. anteilig umsetzt. Es wird an diesem mit möglichst minimalen Einbauten im Massenstrom vorverbrannt. Abstromseitig kann z.B. durch hinter dem Katalysator eingedüster homogener Katalysatoren und ggf.zusätzlich eingedüstem Massenstrom weiter verbrannt werden. Alternativ kann bei weiterer Entwicklung zusätzlich gestuft werden. So können die Reaktionen im Triebwerk ggf. weiter reguliert werden. Dies kann für den Bereich der Düse aussichtsreich sein. Alternativ können auch zusätzliche Geometrien ermöglicht werden (z.B. konische Brennraumformen).
• Neben dieser Verbrennung kann zudem allgemein durch hohe katalytische Aktivität (Qualität, bzw. Quantität / Fracht) die mittlere Verbrennungstemperatur angepasst werden. Wichtig ist jedoch, dass eine gleichmäßige Durchmischung erfolgt [13] und die Wärmeleitung (Rückführung) in den vorlaufenden Treibstoffmassenstrom begrenzt wird. Andernfalls resultieren ggf. teilweise superadiabatische Bedingungen [14] [17] gemäß [Variante 4]. Genutzt werden können für Variante 2 insbesondere homogene Katalysatoren, da diese über keine Wärmeleitung per Festkörper verfügen. Alternativ sind auch heterogene Katalysatoren mit begrenzter Wärmeleitfähigkeit oder Isolationsschichten vorteilhaft.
• [Variante 2] Steigerung des Druckes, bzw. der Impulse im Triebwerk:
• Um den Schub weiter zu steigern, können die Druckverhältnisse von Brennraum und Düsenaustritt angepasst werden. Verbrennungsgeschwindigkeit und Verbrennungsdruck werden durch entsprechende Katalysatoren beeinflusst.
• Katalysatoren mit möglichst hohen Druckexponenten sind hierzu vorteilhaft um maximale Verbrennungsdrücke zu erzeugen.
• Höhere Verbrennungsdrücke können grundsätzlich zu zerstörerischen Druckschwankungen führen. Um ein entsprechendes „Klopfen“ oder „Klingeln“ zu vermeiden werden daher weitere Maßnahmen vorgemerkt:
• • Klopfmittel wie Zugabe von Alkohol (Lösung homogener Katalysatoren in Alkohol); oder Wasser
• • Aufteilung des Brennraumes in Abschnitte / Sektionen,
• • Verminderung des jeweiligen Zündvolumens z.B. durch größere Anzahl an Düsen.
• • Maximale Vergleichmäßigung des Gemisches im Brennraum
• • Einsatz verschiedener Katalysatoren
• [Variante 3] Verbrennung mit höherem Massenstrom:
• Katalysatoren können die Umsetzraten, bzw. Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen.
• Brennkammervolumen und Massenstrom für Digole werden mit folgender Formel bestimmt [14]: $$\Delta \text{t}=\left({\underset{\_}{\rho }}_{\text{c}*}{\text{V}}_{\text{c}}\right)\text{/ }\dot{\text{m}}$$

  

Δt

- Verweilzeit in Brennkammer

ρc

- Dichte in Brennkammer

Vc

- Kammervolumen

ṁ

- Treibstoffmassenstrom

• Das optimale Brennkammervolumen V_c beträgt somit: $${\text{V}}_{\text{c}}=\Delta \text{t*}\dot{\text{m}}\text{/}{\underset{\_}{\rho }}_{\text{c}}$$

  
• Katalysatoren beschleunigen die Reaktion und verkürzen die erforderliche Verweilzeit in der Brennkammer. Das heißt bei Einsatz von Katalysatoren kann wahlweise der Massenstrom erhöht werden oder das Brennkammervolumen verkleinert werden. Um die kritische Machzahl am Düsenhals möglichst frühzeitig zu erreichen ist der eingespritzte Treibstoffmassenstrom zu steigern. Das heißt es ist eine höhere Geschwindigkeit in der Brennkammer energetisch vorteilhaft oder anzustreben. Denn die weitere erforderliche verlustbehaftete Beschleunigung am Düsenhals verringert sich hierdurch umgekehrt. Somit kann die Einschnürung reduziert werden.
• Im Ergebnis erlaubt dies eine höhere weitere Beschleunigung im Überschallbereich der stromabwärts folgenden divergierenden Düse. Der erzielbare Schub steigt, da die Kraft von Masse und Beschleunigung abhängt (Δv).
• Zur Erreichung der höheren Einspritzgeschwindigkeit ist wahlweise eine Steigerung der Leistung der Turbopumpe, Betrieb im Expandermodus, oder Senkung der Verbrennungstemperatur möglich (d.h. günstigere Anlagenkennlinie für die Kühlung).
• Alternativ könnte auch eine zweite Druckstufe / Pumpenstufe im Kühlkreislauf installiert werden. Dies wird jedoch aufgrund der resultierenden Komplexität und Kosten insbesondere bei Turbopumpen derzeit nicht bevorzugt. Allerdings kann dem auch durch leistungsreduzierte Teilsysteme (Turbopumpen) entgegengewirkt werden.
• [Variante 4] Verbrennung mit maximierter Temperatur:
• Diese Variante betrifft eine maximierte Verbrennungstemperatur „superadiabatisch“, d.h. ggf. über der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur. Dies kann realisiert werden durch ungleichmäßige Durchmischung des Treibstoffes vor Eintritt in den Katalysator [13] [17] oder durch einen heterogenen Katalysator mit größerer Oberfläche und Rückspeisung der Reaktionswärme in den Frischgasmassenstrom [14].
• Bei hoher katalytischer Oberfläche aufgrund poröser Strukturen sind Prozesse besonders intensiv. An einem heißen Katalysatorwerkstoff wird das Reaktionsgemisch erwärmt (vorgewärmt). Nach chemischer Reaktion wird ein Teil der Reaktionswärme an den Katalysatorwerkstoff reflektiert, bzw. übertragen. In Verbindung mit der Vorwärmung können so die üblichen adiabatischen Verbrennungstemperaturen überschritten werden. Ein Teil der Verbrennungsenergie wird über den Feststoffkatalysator im Kreislauf geführt [14].
• Die Varianten 1 bis 4 werden durch folgende Mechanismen technisch umgesetzt:
1. [a] Begrenzung des Strömungswiderstandes
2. [b] katalytische Hochtemperaturlegierungen
3. [c] Oberflächenbehandlung / chemische Aktivierung
4. [d] Kombination mit homogenen Katalysatoren
5. [e] Anpassung der Brennraumgeometrie
6. [f] Steuerung der Verbrennungskinetik (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit]
7. [g] Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
• [a] Zur Begrenzung des Strömungswiderstandes
• Es ist ein System einzusetzen, dass die übrigen Komponenten, wie z.B. die Turbopumpen nicht überbeansprucht. So würden bspw. Katalysatorbetten mit hohem Strömungswiderstand zu höheren Druckverlusten führen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz von heterogenen Katalysatoren mit möglichst geringem Strömungswiderstand (z.B. in Strömungsrichtung ausgerichtete Katalysatoren, Mixplatten, Spritzplatten oder konzentrischen Platten).
• Zudem kann eine Beschichtung (z.B. Gold, Platin) innen im Triebwerk aufgebracht werden um die Rekombination der Reaktanden und die Wärmeleitung von Energie zu vermindern und zu verhindern.
• [b] Zu katalytischen Hochtemperaturlegierungen
• Um die erforderliche Warmfestigkeit im Brennraum für heterogene Katalysatoren zu erreichen, kommen Platin-/Platinmetalle bzw. Edelmetalle- (z.B. Palladium, Gold) einerseits und in Kombination mit Legierungsmetallen mit hohem Schmelzpunkt zum Einsatz. Als Legierungsmetalle sind Hochtemperaturmetalle (Refraktärmetalle) wie Wolfram, Vanadium oder insbesondere Molybdän geeignet, die zudem wertvolle paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Daher sind diese als Promotoren besonders geeignet. Um den Wärmehaushalt der Katalysatorwerkstoffe zu verbessern, wird eine Reaktivkühlung ggf. in Kombination mit einer gestuften Einspritzung an den heterogenen Katalysatoren verwendet.
• Zur Reduzierung von Kosten sind lediglich auf der Oberfläche edelmetallreiche Legierungen anzuordnen. Der Verbund wird z.B. durch Verlöten, Verschweißen oder Schmelzen auf den Hochtemperaturwerkstoff/ Katalysatorkern hergestellt. So entsteht ein polymetallisches Material. Die Kombination verschiedenerer Metalle, insbesondere Platin (Schmelzpunkt ca. 1.772 °C), Rhodium (Schmelzpunkt ca. 1966 °C), Gold (Schmelzpunkt ca. 1.064°C) mit denen von Wolfram (Schmelzpunkt ca. 3.410°C), Rhenium (Schmelzpunkt ca. 3.180 °C), Osram (Schmelzpunkt ca. 3.045°C), Iridium (Schmelzpunkt ca. 2.410°C), Molybdän (Schmelzpunkt ca. 2.617°C), Vanadium (Schmelzpunkt ca. 1.890 °C) führt zu einer thermisch belastbareren Legierung. Die thermische Belastung kann zudem durch eine reaktive Kühlung der Katalysatorelemente mittels Einspritzung, bzw. zugeführtem Treibstoff gesteigert werden. Im Ergebnis kann das Werkstück als Katalysator in den Brennraum für die Umsetzung von Wasserstoff oder Methan mit reinem Sauerstoff eingesetzt werden. Der Katalysator kann z.B. die maximale Verbrennungstemperatur senken und den erzielbaren kinetischen Wirkungsgrad des Raketentriebwerkssystems auf ein höheres Niveau treiben. Dies ist verbunden mit verbesserter Verbrennung, weniger Verpuffungen, weniger Dissipation in Wärme, weniger Kühlungsaufwand und leichteren / langlebigeren Triebwerkssystemen. Zudem sind dissoziierte Bestandteile kleiner, bzw. leichter beweglich und reagieren schneller im Brennraum miteinander. Dies kann einer ungewollten Entweichung der Reaktionsenergie entgegenwirken. Ein möglicher Einsatz von Aerospikes wird erleichtert.
• Platin-Wolfram: Um eine möglichst hohe katalytische Reaktivität, bei gleichzeitig größtmöglicher Stabilität zu erreichen, bietet sich eine Kombination von Platin mit Wolfram an. Wolfram besitzt den höchsten bekannten Schmelzpunkt aller Metalle von 3.410 °C. Wolfram neigt jedoch bereits bei Temperaturen über ca. 400 °C zu starker Oxidation mit Sauerstoff, bzw. zur Reaktion mit Wasserstoff. Es ist anzumerken, dass oxidiertes Wolfram selbst als Katalysator angeführt wird und eine Passivierung erfolgt. Zwar sind Schubtriebwerke für den Vertikalstart auf wenige Minuten Brenndauer ausgelegt, jedoch ist eine Verbesserung der Beständigkeit durch Legierung mit Platin als Katalysator anzustreben. Platin ist zwar katalytisch gegenüber Sauerstoff und Wasserstoff hochreaktiv, jedoch chemisch gleichzeitig äußerst beständig. Platin weist zudem gute Schmiedbarkeit und Duktilität auf und ist mechanisch vielversprechend. Wolfram neigt allgemein zur Versprödung bei Legierung mit anderen Metallen.
• Eine Platin-Wolframlegierung wird beispielsweise für Langzeiteinsätze an Zündkerzen verwendet (Kfz-Bereich). Zu berücksichtigen ist die hohe chemische Reaktivität von Wolfram bei höheren Temperaturen, insbesondere mit Wasserstoff und Sauerstoff. Wolfram und Platin sind nicht über die gesamte Mischungsskala vollständig im festen Zustand ineinander löslich, da aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften teilweise unterschiedliche Phasen gebildet werden. Daher wird eine Legierung von 20% Wolfram zu 80% Platin (Atomanteile) bevorzugt und eine Schmelztemperatur von ca. 2.000°C erreicht. Es kann jedoch bei kürzeren Standzeiten, bzw. verringert erforderlicher chemischer Beständigkeit auch ein höherer Anteil von Wolfram verwendet werden. Durch Zugabe von 25% Platin zu 75% Wolfram kann die Schmelztemperatur auf ca. 2.460 C gesteigert werden. Die Kombination von Platin und Wolfram hat weiteres Potential [4], z.B. durch Einmischung weiterer Bestandteile. Aufgrund der günstigen Beschaffung ist Wolfram ein möglicher Trägerwerkstoff, mit bedingter chemischer und mechanischer Eignung (in Legierungen).
• Platin-Rhenium: Katalysatoren mit teilweise unterschiedlichen Legierungen, bzw. Beschichtungen aus Platin und Rhenium sind bereits im bewährten Einsatz zur Erhöhung der Oktanzahl bei bleifreiem Benzin (Reformierung). Rhenium ist eine hervorragende Ergänzung zu Platin, da der Schmelzpunkt von Rhenium bei ca. 3.180°C liegt und von den Metallen lediglich von Wolfram mit ca. 3.410°C Schmelzpunkt übertroffen wird. Zugleich besitzen Platin und Rhenium eine hohe Löslichkeit miteinander, was die Legierungsanteile variierbar werden lässt. Ein weiterer Vorteil von Rhenium gegenüber Wolfram liegt in dessen höherer chemischer Beständigkeit gegenüber Sauerstoff und Wasserstoff - insbesondere bei höheren Temperaturen. Auch wirkt Rhenium bestimmten Alterungsprozessen des Katalysators entgegen (z.B. Verkokung bei Kombination mit Kohlenwasserstoffen). Daher ist Rhenium ein viel versprechender Promotor für Langzeiteinsätze. Es wird nach Gewichtsverhältnis von Platin zu Rhenium bilanziert. Der Anteil von Platin wird maximiert um eine möglichst hohe katalytische Reaktivität bei gesteigerter Schmelztemperatur zu erreichen. So wird eine Legierung aus 55% Platin zu 45% Rhenium favorisiert. Hieraus resultiert gemäß Solidus-Linie eine zulässige Schmelztemperatur von über 2.400°C. Bei einer alternativen weiteren Steigerung des seltenen Rheniums auf ca. 90% und ca. 10% Platinzugabe ist eine Erhöhung der Schmelztemperatur der Legierung auf über 2.900 °C möglich. Die höhere Arbeitstemperatur verbessert die katalytische Aktivität der jeweiligen Materialien. Bewährt haben sich bei Platin-Rhenium auch Zugaben katalytisch besonders interessanter Elemente wie Silber, Kupfer und Palladium. Relevant sind alternativ auch Ruthenium und Molybdän. Die Schmelzpunkte von Silber (ca. 962°C), Kupfer (ca. 1.083 °C) und Palladium (ca. 1.552 °C) liegen unter denen von Refraktärmetallen und sind daher im Folgenden nur für eine Dotierung interessant.
• Platin-Molybdän: Die Kombination von Platin und Molybdän ist aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Molybdän (ca. 2.617°C) vielversprechend. Molybdän ist mit ca. 40 €/kg vergleichsweise günstig zu beschaffen. Das Preisniveau ist in etwa vergleichbar zu Wolfram. Zur größtmöglichen Steigerung des Schmelzpunktes der Legierung auf etwa 2.000 C bei größtmöglicher Steigerung der katalytischen Aktivität wird ein Anteil von ca. 50% Platin zu 50% Molybdän favorisiert. Der mit dieser Legierung erzielbare Schmelzpunkt liegt jedoch deutlich unter den Schmelzpunkten der meisten übrigen Hochtemperaturlegierungen.
• Molybdän ist wegen des verhältnismäßig günstigen Preises, mechanischer Eigenschaften und der hohen chemischen Beständigkeit zudem ein viel versprechender Trägerwerkstoff für die katalytische Edelbeschichtung. So ist die Festigkeit, Zähigkeit und Härte von Molybdän vielversprechend.
• Iridium-Osmium: Iridium und Osmium sind Platinmetalle. Die Kombination aus Iridium und Osmium weist sehr gute katalytische Eigenschaften für Reaktionen mit Wasserstoff auf. Iridosmium und Osmiridium sind bekannte und bewährte Legierungen. Die thermische Beständigkeit ist ausgesprochen vorteilhaft, da Osmium einen Schmelzpunkt von über ca. 3.045°C bietet und auch Iridium zu den Refraktärmetallen zählt. Bei einer bevorzugten Mischung von ca. 50% Iridium zu ca. 50% Osmium ist eine Schmelztemperatur von über 2.600°C erzielbar. Bei Steigerung des Legierungsanteils an Osmium auf ca. 80% sind sogar über 2.800°C Schmelztemperatur erreichbar [5]. Iridium besitzt einen hohen Preis von ca. 3.660 €/Unze, bzw. je ca. 31g (Stand Januar 2022) und ist damit derzeit deutlich teurer als Gold oder gar Platin. Osmium ist das teuerste Material in der Betrachtung mit über 1.670 €/g und starkem Trend zu weiterem Preisanstieg (Stand Januar 2022).
• Iridium-Osmium-Platin: Zur Steigerung der katalytischen Aktivität bietet sich ein ternäres System von Iridium, Osmium und Platin an. Bei einem Anteil von ca. 45% Iridium, ca. 30% Osmium, zu ca. 25% Platin resultiert ein Schmelzpunkt von ca. 2.400°C [5].
• Iridium-Rhenium-Rhodium: Iridium und Rhodium sind Platinmetalle. In diesem Legierungssystem lässt sich gleichzeitig bei hohem Anteil der Platinmetalle ein hoher Schmelzpunkt der Katalysatoren erreichen. Bei einer Legierung aus ca. 42% Iridium, ca. 33% Rhenium, ca. 25% Rhodium ist ein Schmelzpunkt von ca. 2.700°C zu erreichen.
• Platin-Rhodium: Rhodium besitzt einen hohen Schmelzpunkt von ca. 1.966 °C. Platin und Rhodium sind nicht vollständig ineinander löslich. Legierungen mit den Hauptbestandteilen Platin und Rhodium weisen eine maximale Schmelztemperatur von unter 2.000 °C auf. Großer Vorteil von Rhodium ist dessen hohe katalytische Aktivität, insbesondere gegenüber Stickoxiden, was für luftatmende Antriebe von Relevanz ist. Es wird eine Legierung aus ca. 70 % Platin und ca. 30 % Rhodium mit einer Schmelztemperatur von über 1.800 °C bevorzugt. Diese Legierung weist jedoch den geringsten Schmelzpunkt aller im Treiber-Konzept genannten Legierungen auf.
• Werkstoffauswahl
• Die mögliche Einsatztemperatur erhöht die katalytische Aktivität. Ein höherer Schmelzpunkt begünstigt und vermindert vorlaufendes Schmelzen der Oberfläche des Katalysators, bzw. den vorzeitigen Abtrag der katalytischen Beschichtung durch mechanische Einwirkungen. Hierzu sind alternativ auch höhere Anteile festerer Werkstoffe (Molybdän) möglich. Der Grad an Edelmetallen, insbesondere an Platinmetallen erhöht die Aktivität des Katalysators und die chemische Beständigkeit. Platin wird voraussichtlich aufgrund des tendenziell zurückgehenden Einsatzes in Dieselkatalysatoren auch künftig in ausreichenden Kapazitäten bezahlbar zur Verfügung stehen. Nach Betriebszyklus werden Katalysatorverbindungen in Fahrzeugen zunehmend recycelt. Aufgrund der hohen katalytischen Aktivität wird im Folgenden stellvertretend eine Beschichtung aus einer Platin-Rhenium-Legierung auf einem Molybdänträger / Grundkörper beschrieben. Rhenium wirkt einer zu frühen Verkokung entgegen und erhöht die Standzeit des Katalysators. Alternativ kann der Grundkörper auch aus Wolfram- oder Vanadium bestehen.
• Durch Kombination mit einer reaktiven Kühlung (durchlaufendem Treibstofftransport) und bei zusätzlicher Einspritzung homogener Katalysatoren in den Brennraum ist eine zusätzliche Kühlung des Brennraumes und des heterogenen Katalysators möglich. Ein Nachteil auf die Reaktionsgeschwindigkeit und damit Austrittsgeschwindigkeit an der Düse ist nicht abzuleiten.
• Der Effekt des Treiber-Konzeptes ist bei luftatmenden Triebwerkssystemen deutlich höher, da zur möglichst umfassenden Verbrennung / Ausbrand nur kurze Verweilzeiten im Triebwerk zur Verfügung stehen. Ziel dieser Patentschrift ist auch die Unterstützung des Heber-Konzeptes (Aktenzeichen 10 2021 004 807.5) unter den stark wechselnden Herausforderungen eines angestrebten Vertikalstartes. Hierzu zählen steigende Anströmgeschwindigkeit / Verdichtung und demgegenüber sinkende Dichte der anströmenden Luft mit mindestens einem zwischenzeitlichen Maximum an Luftmassenstrom.
• [c] Oberflächenbehandlung / chemische Aktivierung
• Da die Aktivität von Katalysatoren von der Oberfläche der Katalysatoren abhängt, ist eine Anpassung und Strukturierung der Oberfläche vorteilhaft. Heterogene Katalysatoren können durch mechanische oder elektromagnetische Verfahren chemisch aktiviert werden. Mechanische Verfahren haben den Vorteil mit wenig Aufwand Effekte zu erzielen (z.B. schleifen, Einsatz von Strahlmitteln mittels verschiedener Fraktionen von Sandkörnern, Walzen usw.). Hierbei kann durch einen umgekehrten Schliff zur Aufrauhung beginnend mit feinerem und anschließend weiteren Schliffen mit gröberen Schleifmaterial gezielt Rauigkeiten aufgebracht werden. Diese sind ggf. aus verschiedenen Schleifwinkeln/ bzw. Strahlwinkeln durchzuführen. Elektromagnetische Verfahren, wie. z.B. gepulste Laserstrahlung, Ionenstrahlung und Elektronenstrahlung erlauben weiterführende Optimierungen, bzw. eine Steuerung und Verfeinerung der Oberflächenstruktur. Als Hilfsmittel können Interferenztechniken oder entsprechende Masken verwendet werden [2].
• Um eine chemisch besonders aktive Oberfläche zu erzeugen bieten sich Faserkonturen an. Gleichzeitig kann die Strömung in Oberflächennähe turbulenter gestaltet werden. Die nach diesem Prinzip größtmöglich erzielbare spezifische Oberfläche entsteht durch winzige Fasern, die quer oder längs zum Träger / Katalysatorrumpf angebracht werden. Pragmatisch können auch Späne oder Fasern aus der mechanischen Bearbeitung des Rohlinges bzw. Katalysatorgrundkörpers gezogen / verwendet werden. Zur Anbringung der Fasern / des Abriebes ist der Katalysatorrumpf oberflächig zu schmelzen (z.B. mittels Laserstrahlung, thermische Vorbehandlung usw.). Bei Kontakt der kühleren festen Fasern mit den teilweise angeschmolzenen / verschweißten Katalysatorrümpfen entsteht eine Verbindung und im Weiteren eine fellartige / gefaserte Oberfläche. Alternativ kann auch ein katalytischer Schwamm aufgeschmolzen, oder verwendet werden.
• Durch die Behandlung weisen die Werkstücke, bzw. Grundkörper eine höhere spezifische Oberfläche auf (z.B. Löcher, Rillen, Fasern). Hierdurch können ausgewählte thermisch hoch belastbare Werkstoffe (wie Wolfram, Molybdän), chemisch-/katalytisch-aufgeladen im Brennraum eingesetzt werden. Hierdurch wird die diffuse Oberfläche von Platin nachempfunden.
• [d] Kombination mit homogenen Katalysatoren
• Ein großer Vorteil bei homogenen Katalysatoren besteht in der Wirkung über den weiten räumlichen Bereich des Transportes / Massenstromes. Frachten können im Prozess verändert werden. Der Wirkbereich erstreckt sich unmittelbar an den Massenstrom der Reaktionsprodukte, wie Reduktionsmittel und Oxidator gebunden. Die Katalysatoren werden auf diese Weise gezielt im Inneren des Brennraumes eingesetzt. Das heißt die größtmögliche Wirkung vor Brennvorgang und entlang des Brennraumes ist vorteilhaft. Bei Oxidation der eingespritzten homogenen Katalysatoren bzw. Metallpartikel kann ggf. ein positiver Effekt auf den spezifischen Impuls resultieren (ternäre Systeme). Darüber hinaus werden homogene Katalysatoren bereits zur Reinigung von Ablagerungen in Brennraumwänden verwendet (z.B. US 2011/0154726 A1 , bzw. US 2009/0056207A1 ), jedoch noch nicht gezielt rekatalysierend für heterogene Katalysatoren von chemischen Triebwerkssystemen. Die Einspritzung der homogenen Katalysatoren soll somit den Ablagerungen auf den heterogenen Katalysatoren entgegenwirken und diese reinigen. Durch eine verkokungsarme Katalysatorlegierung (z.B. ca. Platin 55 % und hoher Anteil an Rhenium von ca. 45%) und eingebrachte homogene Katalysatoren werden stabile Bedingungen geschaffen. Auch kann zum Anfahren der heterogenen Katalysatoren auf Betriebstemperatur und Vermeidung von Druck-/Temperaturschwankungen der weitere Zusatz von homogenen Katalysatoren vorteilhaft sein.
• Die homogenen Katalysatoren können thermisch zudem gezielt angeregt werden (z.B. mittels Mikrowelle). So kann die chemische Aktivität erhöht werden. Zudem wird die Einleitung der Zündung des Treibstoffes und die weitere Regeneration der heterogenen Katalysatoren weiter verbessert. Auch soll die Erhöhung der Fracht an homogenen Katalysatoren die Verbrennungstemperatur weiter senken und die chemische Energie des Treibstoffes direkter in kinetische Energie umwandeln. Auch für heterogene Katalysatoren ist der Vorteil durch Aktivierung mittels ionisierter Anregung bereits technisch nachgewiesen (z.B. Patentschrift DD 77961).
• Homogene Katalysatoren sind kombinierbar aus feinen Partikeln mehrerer Platingruppenmetalle und Promotoren der Nebengruppen I, II, VIA, V, VI und VII. Dies ist durch feine Verteilung kleiner katalytischer Partikel im Treibstoff möglich (Suspension). Bevorzugt wird die Verwendung von geringen Mengen an Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium und weiterer Edelmetalle. Diese sind dem Treibstoff-/Treibstoffkomponenten zuzusetzen. Rhodium und Ruthenium werden jedoch als giftig eingestuft und sind daher gesondert zu betrachten. Einige Palladium- und Platinverbindungen können sich schädlich, bzw. giftig auswirken. Im Folgenden wird jedoch aufgrund der geringen Konzentration im Mikrogrammbereich je kg Treibstoff von einer wahrscheinlich positiven Umwelt- und Gesundheitsbilanz ausgegangen. Gleichzeitig entfallen Emissionen (weniger Treibstoffverbrennung) und für diese Anwendung besteht keine direkte menschliche Exposition.
• Je kg Treibstoff werden ca. 20 µg Platin, ca. 20 µg Rhenium, ca. 20 µg Molybdän und ca. 20 µg Vanadium, sowie ca. 20 µg Palladium oder alternativ Rhodium eingesetzt. In Summe resultieren so ca. 100 µgKatalysatoren/kgTreibstoff. Die Korn- / Partikelgröße beträgt weniger als 10 µm.
• Zusätzlich kann die Verbrennungskinetik durch Stimulierung der homogenen Katalysatoren mittels elektromagnetischer Strahlung (Mikrowellenstrahlung) variiert werden (Az. DE 10 2021 001 272.0 ) des gleichnamigen Anmelders). Hierzu kann ein Mikrowellenstrahler hinter einem elektrisch nichtleitenden Werkstück (z.B. Hochtemperaturkeramik) verbaut werden. Das Werkstück kann am Brennraum angeordnet werden. Die derart stimulierten homogenen Katalysatoren sind zusätzlich kinetisch und thermisch angeregt. Zur Versorgung der Mikrowelle mit Elektroenergie sind z.B. Thermoelemente oder Elektrogeneratoren einsetzbar. Letztere könnten an der Turbopumpe installiert oder angeschlossen sein. In teilweisen Bezug zum Treiber-Konzept und die kontaktlose elektromagnetische Zündung ist zudem ein übergeordnetes angepasstes Verfahrenskonzept angemeldet (Az. DE 10 2021 004 141.0 des gleichnamigen Anmelders).
• Alternativ sind auch unedlere homogene Katalysatoren z.B. aus Eisenverbindungen möglich. Hierzu zählt beispielsweise Magnetit, Hämatit, bzw. Ferrihydrit mit Massenanteilen von maximal wenigen Prozent am Treibstoff. Diese ermöglichen bei günstigem Preis eine Steigerung der mengenmäßigen Frachtraten. Interessant ist dies als Alternative z.B. bei höchsten Brennraumtemperaturen zum Ausgleich bei kurzer Halbwertszeit der katalytischen Aktivität gegenüber Refraktärmetallen. Auch kann das zeitweise Abschmelzen derartiger Katalysatoren mittlerer Temperaturbeständigkeit die Verbrennungstemperatur puffern. So wird Wärmeenergie für den Bereich nach Einschnürung im System als Phasenänderungsenthalpie in latente Wärme zwischenzeitlich überführen. So kann die Triebwerkstemperatur begrenzt werden. Interessant hierbei ist, dass durch Phasenübergänge Temperaturspitzen abgefedert werden bis ein vollständiger Phasenwechsel erfolgt. Interessant ist dies insbesondere für luftatmende Antriebe mit geringerer Reaktionstemperatur als bei chemischen Raketentriebwerkssystemen. Alternativ kann über die Verdampfung / Sieden bei höheren Temperaturen einreguliert werden. Ein technischer Lösungsansatz für diesen Ansatz stellt eine erhöhte Einspritzgeschwindigkeit der Eisenverbindungen dar um möglichst tief in den aktiven Brennraum einzuwirken. Konstruktiv kann dies durch Einspritzung stromabwärts gesteigert werden, z.B. an Spritzplatten oder separaten Einspritzdüsen (z.B. 7a - 7c, oder 8a - 8b). Auch heterogene Katalysatoren aus Eisenverbindungen sind möglich. Weiterhin interessant sind z.B. auch Molybdän oder Vanadium z.B. bei Wandströmungen entlang Brennkammerwänden.
• [e] Anpassung der Brennraumgeometrie
• Zur energetischen Bewertung einer Anpassung der Brennraumgeometrie werden im Folgenden die allgemeinen Verluste eines chemischen Raketentriebwerkssystemes nach [6] aufgeschlüsselt:
1. 1. radiale Geschwindigkeitskomponente am Düsenaustritt
2. 2. Räumlich und zeitlich nicht gleichförmige Geschwindigkeit, sog. Profilverlust
3. 3. Reibungsverluste
4. 4. Wärmeverluste nach außen und Treibstoff-Leckverluste
5. 5. Unvollständige Expansion p_e>0
6. 6. Unvollständige Verbrennung und Reaktionen (d.h. Ungleichgewicht in der Expansionsströmung)

Allgemein wird thermodynamisch bei höherer Temperatur eine höhere Austrittsgeschwindigkeit am Düsenaustritt erzielt. Durch Katalysatoren können jedoch zusätzlich die Reaktionsbedingungen zu einer katalytischen Verbrennung hin verändert werden. Die Reaktionsenergie / -enthalpie wird in einer beschleunigten Reaktion umgesetzt. Aufgrund dieser angepassten Bedingungen und Reaktionsmechanismen wird eine verlustärmere Umwandlung in kinetische Energie angestrebt. Dies soll z.B. durch veränderte Druckgefälle, -bzw. Impulse im Triebwerk erzielt werden. Durch intensivierte Reaktionen auf kleinerem Raum können zudem die möglichen unterschiedlichen Verlustleistungen über die reduzierten Systemflächen / -grenzen des Triebwerkes reduziert werden. Die Differenz zur kritischen Machzahl kann so reaktionsseitig verändert und ggf. minimiert werden. Eine Verringerung von Wärmeverlusten ist insbesondere vorteilhaft bei kleineren und mittleren Triebwerken aufgrund typischerweise höherer Anteile [6]. Nicht zu Letzt stellt ein Entfall an Triebwerksmasse auch zusätzliche Potentiale für die Nutzlast dar.
Die durch homogene und heterogene Katalysatoren vergleichmäßigte und angepasste Verbrennung lässt geringere radiale Geschwindigkeitsanteile und Wärmeverluste erwarten. Bei reduzierter Einschnürung ergeben sich positive Effekte. Hierzu sind z.B. auch gezielte Konzentrationsunterschiede entlang des Brennkammerquerschnittes möglich. Hierdurch können ggf. innere Reibungsverluste in der Strömung der Brennkammer vermindert werden.
Aerospikes könnten technisch einfacher durch Senkung der Verbrennungstemperatur realisiert werden. Bei Aerospikes können konstruktionsbedingt kinematische Strahlverluste bei variablen Umgebungsdrücken reduziert werden (z.B. bei Senkrechtstarts).
• Durch Veränderung von Temperatur, Druck und Reaktionsgeschwindigkeit ist somit eine Anpassung und ggf. Optimierung der Brennraumgeometrie möglich. Hieraus ergeben sich vielversprechende energetische Potentiale. Grundsätzlich kommen nach [6] neben zylindrischen Brennräumen auch noch andere Geometrien in Frage. Diese sind z.B. rohrförmige oder konische Brennräume. Die Einschnürung zur Energieumwandlung bei einer Laval-Düse ist stets mit energetischen Wirkungsgradverlusten behaftet. Es resultieren Wärmeverluste und strömungstechnische Nachteile wie z.B. Reibungen, Turbulenzen, nachteilige mehrfache Querbeschleunigungen (konvergierender/divergierender Wechsel) und Profilverluste, bzw. teilweise Rückströmungen in Düsennähe.
• Auch können konische oder rohrförmige Brennräume verbessert ausgelegt werden, da die Verbrennungsgeschwindigkeiten erhöht werden. So kann z.B. in Nähe der Triebwerkswände mit entsprechender katalytischer Fracht temperaturreguliert verbrannt werden. Hiermit sind die thermomechanischen Belastungen gleichmäßiger und schonender für die Lebensdauer des Triebwerkes.
• [f] Steuerung der Verbrennungskinetik (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit]
• Die Verbrennungskinetik hat Einfluss auf die kinematischen Strahlverluste, bzw. den effektiv nutzbaren Schubanteil der aufgewendeten Leistung (zugeführte chemische Energie). Die kinematischen Strahlverluste können in einem Beispiel ca. 25% der aufgewendeten Leistung im chemischen Triebwerk betragen [6]. Demgegenüber beträgt der verbringbare Nutzlastanteil nur wenige Prozent der Gesamtstartmasse einer Rakete (niedriger Erdorbit).
• Die komplexe Verbrennungskinetik hängt insbesondere von der Geometrie der Brennräume, des Düsenhalses und der nachgeordneten Düse ab. Zudem treten strömungstechnische Profilverluste und Ablöseerscheinungen auf. Diese hängen z.B. vom veränderlichem Umgebungsdruck eines Senkrechtstartes ab. Grundsätzlich sind bei Brennräumen und Düsen die Geometrien fix und der Druck des Triebwerkes am Düsenaustritt ist festgelegt. Bei Aerospikes und bestimmten Sonderformen kann sich der Druck am Düsenaustritt an den veränderlichen Umgebungsdruck anpassen, bzw. wird frei entspannt. Da bei Senkrechtstarts der Außendruck abhängig der Höhe schwankt, können bei Einsatz von konventionellen Glockendüsen kinematische Strahlverluste resultieren. Diese resultieren durch Überexpansion (Umgebungsdruck höher), oder Unterexpansion (Umgebungsdruck niedriger).
• Im Rahmen dieser Erfindung wird daher vorgeschlagen die komplexe Verbrennungskinetik durch homogene Katalysatoren und metallische Komponenten ggf. zeitlich, bzw. räumlich variabel zu beeinflussen (ternäres System). Dies ist insbesondere für konventionelle Glockendüsen interessant. Bei Glockendüsen ist die Einspritzung der homogenen Katalysatoren, bzw. auch metallischer Komponenten demnach gezielt an den veränderlichen Außendruck anzupassen. Veränderliche Konzentrationen oder Frachten über den Radius der Strömung / Strömungsquerschnitt sind eine weitere räumliche Option.
• In der Startphase werden bei hohem Umgebungsdruck maximale Frachten an homogenen Katalysatoren und metallischen Partikeln (ternäres System) in den Treibstoff des Triebwerkssystemes eingespritzt. Die homogenen Katalysatoren verändern im Triebwerkssystem die Temperatur und den Druck. Und können die Temperatur ggf. senken und den Druck steigern. Zusätzlich können metallische Partikel eingespritzt werden um den Druck im Triebwerkssystem weiter zu steigern. Gleichzeitig wird der Schub durch das ternäre System insbesondere in der energetisch anspruchsvollen Startphase maximiert.
• Mit zunehmender Höhe und somit abnehmenden Umgebungsdruck sind die Frachten der homogenen Katalysatoren und der metallischen Partikel zu reduzieren, bzw. fortlaufend anzupassen. In Folge kann in dem Brennraum z.B. die Temperatur steigen und der Druck am . Düsenaustritt sinken. Dies kann entsprechend fortlaufend bis zum Einsatzende des Triebwerkssystemes angewendet werden. Das Ziel ist ein Angleichen des Druckes am Düsenaustritt an den Umgebungsdruck um kinematische Strahlverluste möglichst zu vermindern.
• Dieser Ausführung liegt die Annahme zugrunde, dass bei geringerem energetischem Aufwand ein reduzierter Treibstoffeinsatz im Triebwerkssystem insgesamt trotzdem energetisch vorteilhaft sein kann. So können ggf. kinematische Strahlverluste minimiert werden. Die Ausführungen beziehen sich auf Glockendüsen. Bei Aerospikes. kann hierdurch ggf. die Größe der Düse reduziert, bzw. Gewicht reduziert werden (z.B. durch höheren Durchsatz).
• Auf eine mögliche zusätzliche Stimulierung der homogenen Katalysatoren mittels elektromagnetischer Anregung wurde bereits verwiesen (Az. DE 10 2021 001 272.0 ) des gleichnamigen Anmelders). In teilweisen Bezug zum Treiber-Konzept und die kontaktlose elektromagnetische Zündung ist zudem ein übergeordnetes angepasstes Verfahrenskonzept angemeldet (Az. DE 10 2021 004 141.0 des gleichnamigen Anmelders).
• Diese Anregung mittels elektromagnetischer Strahlung ist nicht nur hinsichtlich temperaturbedingter Aktivität des Katalysators relevant. Ggf. kann in bestimmter Richtung angeregt werden. Grundsätzlich bestehen noch zusätzlich zur Wirkung von Katalysatoren mehrere Theorien nach Stand der Technik. Die weit verbreitete Radikaltheorie beschreibt die erleichterte Ionisierung durch Katalysatoren. Darüber hinaus existiert zudem die Theorie zum photo-katalytischen Effekt. Nach diesem emittieren bestimmte Katalysatoren elektromagnetische Strahlung (UV-Strahlung) und regen die Reaktanden zur Reaktion an [9].
• Vorteilhaft ist, dass bei flüssigen Systemen gleichmäßige Bedingungen und Verteilungen von Katalysatoren und Treibstoff einfacher zu realisieren sind als bei Feststoffsystemen. Möglich ist auch die Suspension der homogenen Katalysatoren in einem „Klopfmittel“. Ähnlich zu Verbrennungskraftmaschinen ist z.B. Alkohol oder auch Wasser diesbezüglich bekannt. Durch diese Klopfmittel können bei Verbrennungen den Druckschwankungen entgegengewirkt werden. Weitere Gegenmaßnahmen sind in [Variante 2] aufgeführt. Eine Maßnahme stellt die Aufteilung des Brennraumes dar.
• Interessant sind katalytische Effekte zudem außerhalb des Regelbetriebes, z.B. bei Startbetrieb, mit reduziertem Schub, oder in Brennschlussphase zur Stabilisierung und Anpassung der Verbrennung, bzw. der Triebwerkssysteme (einschl. der Turbopumpe).
• [g] Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
• Gemäß [16] haben Forschungen gezeigt, dass Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit von Ionen nicht wesentlich beeinflussen. Allerdings sind die Konzentrationen von Reaktanden, welche Ionen erzeugen, bei höheren Temperaturen gesteigert. Katalysatoren können allgemein zusätzliche Radikale erzeugen (Radikaltheorie), bzw. die erforderliche Aktivierungsenergie senken.
• Figurenliste
• Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Figurs / Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben
• 1a: Prozessschema: kombinierte Verbrennung
• 1b: Prozessschema: gestufte Verbrennung
• 1c: Prozessschema: massenstromgesteigerte Verbrennung
• 1d: Prozessschema: superadiabatische Verbrennung
• 1e: Prozessschema: einstufige katalytische Flutung
• 1f: Prozessschema: mehrstufige katalytische Flutung
• 2a: homogene Katalysatoren: Suspension
• 2b: homogene Katalysatoren: Fasern
• 3a: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Nebenstrom
• 3b: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Hauptstrom
• 3c: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Mehrwege-Einspritzung
• 3d: homogene Katalysatoren: variable Einspritzung mit Metallpartikeln
• 4a: heterogene Katalysatoren: profilierte Brennraumwände
• 4b: heterogene Katalysatoren: Axialplatten
• 4c: heterogene Katalysatoren: Wabenstruktur
• 4d: heterogene Katalysatoren: länglich gestreckt
• 4e: heterogene Katalysatoren: konzentrisch
• 5: heterogene Katalysatoren: Aufbau/ Oberfläche
• 6: Turbopumpe
• 7a: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Oxidator
• 7b: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Spritzplatte
• 7c: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung
• 7d: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Mixplatte
• 8a: Triebwerkssystem (Rakete): Wabenstruktur, mehrstufig
• 8b: Triebwerkssystem (Rakete): konzentrische Anordnung, mehrstufig
• 9a: Triebwerkssystem (Rakete): Wabenstruktur, einstufig
• 9b: Triebwerkssystem (Rakete): konzentrische Anordnung,einstufig
• 10: Triebwerkssystem (Aerospike): reduzierte Einschnürung
• 11: Triebwerkssystem (Scramjet): teilweise Beschichtung
• 12: Triebwerkssystem (Scramjet): vollständige Beschichtung
• 13: Triebwerkssystem (Ramjet): teilweise Beschichtung
• 14: Triebwerkssystem (Ramjet): vollständige Beschichtung
• 15: Triebwerkssystem (Pulsstrahltriebwerk)
• Die genannten Ausführungen sind Beispiele. Weiterführende Varianten sind in der Patentschrift, bzw. den Ansprüchen / Claims erfasst.
• Allgemein beinhaltet das Treiber-Konzept heterogene Katalysatoren (1) die möglichst nah im Reaktionsbereich des Brennraumes (3) platziert werden. Bei Raketentriebwerkssystemen, bzw. Turbopumpen werden Ergänzungen mittels homogener Katalysatoren (2) gemacht. Der Treibstoff (4) besteht im Folgenden vereinfachend aus einem Reduziermittel (5), welches mit einem Oxidator (6) Reagiert wird. Darüber hinaus können stellvertretend auch Einstoff- / Mehrstoffsysteme angewendet werden, die hiermit stellvertretend miterfasst und beschrieben werden.
• Die Ausführungen der Figurs 1-4 beschreiben den Grundaufbau des Einsatzes im Brennraum eines Raketentriebwerkssystemes, bzw. alternativ auch in luftatmenden Triebwerkssystemen (z.B. Ramjets, Scramjets, Pulsstrahltriebwerk).
• Figur 1a: Prozessschema: kombinierte Verbrennung
• In dieser Figur ist ein mögliches Prozessschema für eine mögliche Variante des Treiber-Konzeptes dargestellt.
• Durch einstufige Einspritzung (11) werden die Reaktionspartner in die Verbrennung (101) eingebracht. Die einstufige Einspritzung (11) liefert chemische Energie für den Verbrennungsprozess (101) Das Reduktionsmittel / Brennstoff (5) besteht z.B. aus H₂, RP1 oder CH₄. Als Oxidator (6) wird z.B. O₂ oder auch Luft/Luftsauerstoff zugeführt. Wesentlich im Konzept ist die Einbringung von Katalysatoren wie z.B. feinen Platinteilchen als homogenen Katalysatoren (2) gelöst in flüssigem Lösungsmittel (300) wie z.B. Alkohol. Die entstehende Suspension (305) kann separat eingespritzt werden. Alternativ ist auch eine frühere Einmischung in den Treibstoffmassenstrom, z.B. dem Brennstoff (5) vor Einspritzung möglich (z.B. 3a bis 3c).
• Nach Einspritzung im Brennraum erfolgt die Verbrennung (101) unter Mitwirkung von heterogenen Katalysatoren (1) wie z.B. Brennraumwänden beschichtet mit einer Legierung aus Platin und Rhenium. Diese Schichten treten in Wechselwirkung mit den Reaktionspartnern und den Brennraumbedingungen. So verfügt beispielsweise Platin oder alternativ auch Gold über ein hohes Vermögen an Wärmereflexion. Auch können die heterogenen Katalysatoren (1) von den homogenen Katalysatoren (2) aufgefrischt werden.
• Nach Verbrennung (101) verbleiben lediglich die heterogenen Katalysatoren (1). Die übrigen Reaktionspartner werden im Prozess der Verbrennung (101) verbraucht. Die Reaktionsprodukte entweichen über den entstehenden Massenstrom (191). Mit dem gebildeten Massenstrom (191) wird teilweise Energie in nutzbare Form gewandelt, wie z.B. Schub. Weitere Energie kann z.B. vorlaufend oder parallel im Generator einer Treibstoffpumpe / Turbopumpe auf analoge Weise umgesetzt werden.
• Durch die Suspension (305) werden Reaktionsbedingungen der Verbrennung (101) verändert wie z.B. der Verbrennungsdruck die Verbrennungstemperatur oder die Reaktionszeit der Verbrennung (101). Hierdurch können z.B. energetische Verluste reduziert werden und der Nutzlastanteil für Starts in den niedrigen Erdorbit erhöht werden. Möglich ist dies z.B. durch Erhöhung des Massenstromes (191), Veränderung der Geometrien an Einschnürungen (Laval-Düse) oder einem erhöhten Ausbrand von Reaktionspartnern bei luftatmenden Triebwerken. Alternativ sind auch weiter beschleunigte Reaktionen unter Überschallbedingungen möglich.
• Alternativ zu homogenen Katalysatoren (2) können auch metallische Zusätze, wie z.B. Eisenverbindungen mit eigenem Brennwert in den Prozess zugegeben werden um die Prozessbedingungen anzupassen, bzw. zu triggern.
• Figur 1b: Prozessschema gestufte Verbrennung
• Gegenüber der 1a ist ein Prozessschema mit einer mehrstufigen Verbrennung (101 + 102) dargestellt.
• Die mehrstufige Verbrennung (101 + 102) kann beispielsweise für luftatmende Antriebe genutzt werden um den Ausbrand zu erhöhen, oder auch bei Raketentriebwerkssystemen um die Prozessbedingungen weiter zu verändern, oder den Verbrauch an homogenen Katalysatoren (2) zu verringern. Weiter veränderte Prozessbedingungen sind z.B. auch für eine anschließende energetisch optimierte Überschallverbrennung mit kurzen Reaktionszeiten vorteilhaft.
• Für die erste Einspritzung (110) wird Luftsauerstoff oder Oxidator (6) sowie abgemagert Brennstoff (5) in den Brennraum verbracht. Alternativ kann auch vollständig Brennstoff (5) eingebracht werden und nur teilweise gezündet werden. An einem heterogenen Katalysator (1) erfolgt die Verbrennung (101) der ersten Stufe. Die Verbrennung (101) der ersten Stufe erfolgt somit mager, d.h. brennstoffarm oder sauerstoffreich. Alternativ könnte auch eine brennstoffreiche Verbrennung erfolgen unter Sauerstoffmangel.
• Durch stromabwärts wirksame Einspritzung (12) der zweiten Stufe findet eine zweite Verbrennung (102) statt. Hierzu werden z.B. an einragenden Düsen, Spritzplatten oder Mixplatten weitere Reaktionspartner eingebracht (5 + 305). Alternativ können auch Düsen an den Geometrien heterogener Katalysatoren (1) verbaut und verwendet werden. Diese zusätzlichen Reaktionspartner sind in dieser Ausführungsvariante weiterer Brennstoff (5) und die Suspension (305). Die Suspension besteht aus homogenen Katalysatoren (2) in einer Lösung (300). Die Lösung (300) kann z.B. aus Alkohol bestehen.
• Es entsteht ein Massenstrom (192) mit verändertem Druck und Temperatur, bzw. Geschwindigkeit.
• Figur 1c: Prozessschema: massenstromgesteigerte Verbrennung
• In dieser Figur sind gegenüber 1a die eingespritzten Massenströme (13) erhöht. Um die Verbrennung (1010). zu beschleunigen sind wahlweise höhere Massenströme an homogenen Katalysatoren (2) oder homogene Katalysatoren (2) mit höherer Aktivität einzuspritzen.
• Die gesteigerte Einspritzung (13) kann z.B. über zusätzliche oder leistungsfähigere Turbopumpen erreicht werden. Im Ausgleich kann ggf. auf Triebwerke, bzw. übrige Verbrennungen (1010) verzichtet werden. Es entsteht ein umfangreicherer Massenstrom (193).
• Figur 1d: Prozessschema: superadiabatische Verbrennung
• In dieser Figur wirken sich gegenüber 1a wirken die heterogenen Katalysatoren (1) auf die Einspritzung (14) von Suspension (305), Brennstoff (5) und Sauerstoff (6) thermisch stark aus.
• In dieser Figur erfolgt die Verbrennung mit Temperaturen oberhalb der Temperaturen von stöchiometrischen Bedingungen. Diese Bedingungen überschreiten die adiabatischen Bedingungen und werden als „superadiabatisch“ bezeichnet. Dies wird z.B. durch entsprechende Wärmeleitung (1111) aus den heterogenen Katalysatoren (1) ermöglicht. Vorausgesetzt wird, dass die heterogenen Katalysatoren (1) über einen entsprechend hohen Schmelzpunkt in Kombination mit hoher Wärmeleitfähigkeit verfügen.
• Bei der Verbrennung (101) wird Wärmeenergie von der Gasphase an die feste Phase der heterogenen Katalysatoren (1) übertragen, z.B. abgestrahlt. Durch Wärmeleitung in den heterogenen Katalysatoren (1) wird der frische Massenstrom der Einspritzung (14) entsprechend ausreichend erwärmt / vorgewärmt. Zusätzlich findet eine Erwärmung im Brennraum selbst statt. Die gewärmte Einspritzung (14) reagiert im Brennraum und an den heterogenen Katalysatoren (1). Durch die frei werdende Reaktionsenthalpie erfolgt eine weitere Erwärmung über die sonst übliche adiabatische Verbrennungstemperatur hinaus. Überschreitet die Temperatur der Gasphase schließlich die Temperatur des Festkörpers, bzw. der heterogenen Katalysatoren (1) kehrt sich der resultierende Wärmefluss in Richtung der heterogenen Katalysatoren (1) um.
• Es entsteht ein Massenstrom (194) aus superadiabatischer Verbrennung. Ziel kann z.B. die Reduktion homogener Katalysatoren (2) sein.
• Figur 1e: Prozessschema: einstufige katalytische Flutung
• In dieser Ausführungsvariante ist gegenüber 1a ein Prozessschema dargestellt, dass für hohe Konzentrationen homogener Katalysatoren (2) bei der Einspritzung (15) ausgelegt ist. Kostengünstige eisenhaltige Verbindungen wie Hämatit (Fe₂O3), Ferrihydrit, oder auch andere Verbindungen wie TiO₂ kommen als mögliche homogene Katalysatoren (2) in Frage. So sind im eingespritzten Treibstoffmassenstrom (15) z.B. Konzentrationen von ca. 1/20.000 bis zu ca. 2% oder darüber hinaus wirtschaftlich einbringbar. Die Pfeilbreite der homogenen Katalysatoren (2) ist erhöht und die Pfeillänge der Suspension (305) vergrößert.
• Aufgrund relativ niedriger Schmelztemperaturen dieser Verbindungen z.B. bei Fe₂O₃ ca. 1.539 °C bzw. ca. 1.800 K sind technologische Zusatzmaßnahmen vorteilhaft für einen Einsatz im Treiber-Konzept. Hierdurch wird ein vorzeitiges Schmelzen der homogenen Katalysatoren (2) im Brennraum hinausgezögert.
• So kann z.B. die Einspritzgeschwindigkeit der homogenen Katalysatoren (2) erhöht werden. Durch Reibung bei unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten und Bedingungen von Fluiden kann eine zusätzliche Verteilung erreicht werden. Auch kann die Temperatur der Lösung (300) beim Einspritzen (15) niedrig gehalten werden um thermisch zu dämpfen. Es wird somit eine Aufweitung des katalytischen Reaktionsbereiches angestrebt. Dies ist für hohe Reaktionsgeschwindigkeiten vorteilhaft.
• Um Druckschwankungen bei der Verbrennung (1012) zu dämpfen können ggf. Maßnahmen der [Variante 2] eingesetzt werden wie:
• • Zugabe von „Antiklopfmitteln“ z.B. Alkohol (als Lösung (300) für homogene Katalysatoren (2)), oder Wasser;
• • Aufteilung des Brennraumes in kleinere Abschnitte / Sektionen z.B. mit Zwischenbereichen oder leicht auseinander führenden Strömungsrichtungen;
• • Verbrennung (1012) reduziert in Wandnähe (z.B. brennstoffreich);
• • Verminderung des jeweiligen Zündvolumens z.B. durch größere Anzahl an Düsen;
• • maximale Vergleichmäßigung des Gemisches im Brennraum;
• • Einsatz verschiedener homogener Katalysatoren (2).
• Ziel ist die größtmögliche Regulierung von Verbrennungsgeschwindigkeit, Verbrennungstemperatur und Verbrennungsdruck im Brennraum. Der resultierende Massenstrom (195) wird angepasst.
• Figur 1f: Prozesssthema: mehrstufige katalytische Flutung
• In dieser Figur ist das Prozessschema gegenüber der Ausführungsvariante 1e durch mehrstufige Verbrennung (101 + 102) gekennzeichnet. Diese verfügt über zweite Einspritzung (17) und zweite Verbrennung (1020). Gegenüber der Ausführungsvariante 1e werden über stromabwärts befindliche Einspritzdüsen die homogenen Katalysatoren (2) eingebracht. Die homogenen Katalysatoren (2) sind analog in einer Lösung (300) zu einer Suspension (305) enthalten. Hierdurch wird eine zusätzliche Eindringtiefe der homogenen Katalysatoren (2) konstruktiv oder geometrisch ermöglicht.
• Im Vergleich zur Ausführungsvariante 1b werden die homogenen Katalysatoren (2) in dieser 1f mit höherer Einspritzgeschwindigkeit und Konzentrationen eingespritzt. Dies wird mit größerer Pfeilbreite der homogenen Katalysatoren (2) und einer größeren Pfeillänge der Suspension (305) im Prozessschema abgebildet.
• Aus stark angepassten Bedingungen im Brennraum, wie Druck, Temperatur und Geschwindigkeit resultiert der Massenstrom (196).
• Figur 2a: homogene Katalysatoren: Suspension
• In dieser Ausführungsvariante ist eine Suspension (305) aus Lösungsmittel (300) und homogenen Katalysatoren (2) dargestellt. Die Suspension (305) befindet sich in einem Tank, bzw. Vorratsbehälter (31).
• Die homogenen Katalysatoren (2) können aus einem Metall (z.B. Platin); Legierung oder Verbund mehrerer verschiedener Metalle bestehen (z.B. Rhenium, Gold, Molybdän). Für eine größtmögliche Oberfläche weisen die Partikel der homogenen Katalysatoren (2) nur einen Durchmesser von wenigen Mikrometern auf.
• Alkohol verfügt über positive Eigenschaften für eine Verbrennung. So verfügt Alkohol (Ethanol) über einen niedrigen Schmelzpunkt, hält Fließwege vereisungsfrei, ist gut lösbar und besitzt einen eigenen Brennwert. Alkohol kann sehr gut mit Wasser gemischt werden um die Eigenschaften weiter anzupassen. Auch ist Alkohol (Ethanol) ein gutes Medium für Metalle. Alkohol ist nicht zu Letzt umweltfreundlich einsetzbar. Auch erleichtert bei Alkohol die Möglichkeit zur flüssigen Lagerung bei Umgebungstemperatur den Einsatz von Pumpen, Mischwerken, Leitungen und Ähnlichem. Alkohol ist als Antiklopfmittel bei Verbrennungskraftmaschinen bewährt. Alkohol (Ethanol) wird in zahlreichen Verbrennungsprozessen gezielt eingesetzt z.B. hochkonzentriert bei Brennspiritus oder als Kraftstoffzusatz. Abhängig der Einschleusung in den Massenstrom kann Alkohol durch den Zündverzug auch einen zusätzlichen Zeitraum bis zur Zündung liefern. Dieser Zeitraum kann bei Einspritzung im Brennraum die Vergleichmäßigung der Komponenten einschließlich der homogenen Katalysatoren (2) verbessern und das Triebwerkssystem schonen.
• Alternativ können die homogenen Katalysatoren (2) auch über andere Matrixsysteme wie z.B. Wachse oder Dickstoffe eingetragen werden. Wachse oder Dickstoffe können homogene Katalysatoren (2) zwar besser fixieren, sind aber bezüglich gleichmäßiger Einbringung in den Massenstrom und Pumpbarkeit herausfordernder. Hierzu bieten sich ggf. Oberflächenfilme im Brennraum an. Ein mögliches Wachs stellt z.B. Paraffin dar, dass mittels Erwärmung in Brennraumnähe verflüssigt werden kann. Die enthaltenen Partikel homogener Katalysatoren (2) können vergleichmäßigt eingebracht werden.
• Figur 2b: homogene Katalysatoren: Fasern
• In dieser Ausführungsvariante sind die homogenen Katalysatoren (2) in einer partikelartigen faserigen Struktur (20) dargestellt. Es sind Fasern von verschiedenen Katalysatoren (21) thermisch zu verbinden, bzw. zu versintern. Es werden ca. 0,5 - 1 µm starke Metallfasern z.B. von Platin, Aluminium, Rhenium, Molybdän auf maximal ca. 100 µm Länge verbunden. Alternativ können z.B. auch Palladium und Vanadium eingesetzt werden. Die Fasern (21) können teilweise kerzenartig schmelzen oder reagieren und gewährleisten einen gleichzeitigen Eintrag der homogenen Katalysatoren (2) in den Brennprozess und damit eine anhaltende Aktivität. Durch die faserartige Struktur entstehen zusätzliche Verwirbelungen und damit werden die Fasern (21) möglichst weit in den Brennraum verteilt. Hiermit wird Fouling an möglichen heterogenen Katalysatoren (1) besonders wirksam entgegengewirkt.
• Zur weiteren Steigerung der katalytischen Aktivität sind Fasern (21) mit unterschiedlichen Eigenschaften (22) mit einander verbunden. Auf Grundlage von verschiedenen paramagnetischen Eigenschaften werden bei elektromagnetischer Anregung bzw. Aktivität unterschiedliche Partialladungen angestrebt, bzw. Spannungen. So soll gemäß Radikaltheorie die Aktivität gesteigert werden. Alternativ können diese Fasern (21) mit unterschiedlichen Eigenschaften (22) auch hinsichtlich Ihrer photo-katalytischen Eigenschaften optimiert sein.
• Alternativ sind auch einfache Fasern (21) möglich, die ggf. mit Partikeln anderer homogener Katalysatoren beschichtet oder versintert sind.
• Figur 3a: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Nebenstrom
• In dieser Ausführungsvariante ist ein Schema mit homogenen Katalysatoren (2) dargestellt.
• Die mittlere Korngröße der homogenen Katalysatoren (2) beträgt maximal 10 µm und das Größtkorn maximal 20 µm. Bei Kohlenwasserstoffen (z.B. CH₄) werden dagegen je kg Treibstoff ca. 20 µg Platin, ca. 20 µg Rhenium, ca. 20 µg Molybdän und ca. 20 µg Vanadium, sowie ca. 20 µg Palladium eingesetzt. In Summe resultieren so ca. 100 µg_Katalysator / kg_Treibstoff. Die mittlere Korngröße beträgt maximal 10 µm und das Größtkorn maximal 20 µm.
• Vor den Generatoren (30) der Turbopumpen (35) sind Vorratsbehälter (31) angeordnet, jeweils mit gelösten homogenen Katalysatoren (2) in Reduziermittel (5) oder Oxidator (6). Zusätzlich sind Ventile (37) und Leitungen (38) angeordnet. Im Nebenstromprinzip wird aus den Vorratsbehältern (31) sowohl für die Generatoren (30) der Turbopumpen (35), als auch für die Brennräume (3) der Triebwerkssysteme angesaugt / beaufschlagt. Im Nebenstromprinzip ist zusätzlich ein Mischer bzw. eine Mischkammer (36) vor den Generatoren (30) angeordnet. Zur Vergleichmäßigung werden die Lösungen aus homogenen Katalysatoren (2) und jeweils einem Reduzier-/ (5) bzw. Oxidationsmittel (6) in einem Kreislauf (32) gepumpt und regelmäßig vergleichmäßigt, z.B. ergänzt mittels eines Misch-/Rührwerkes (39). In den Vorratsbehältern (31) befindet sich unten die Ansaugung (33) und der Einlass oben (34). Durch die frühe Zuführung der homogenen Katalysatoren (2) wird allgemein eine zusätzliche Dissoziation des Reduzier- (5) und Oxidationsmittels (6) ermöglicht. Neben der Wirkung der homogenen Katalysatoren (2) im Brennraum (3) wirken diese auch vorab im zugeführten Reduzier-(5) und Oxidationsmittel (6).
• Im Brennraum (3) sind heterogene Katalysatoren (1) eingebaut. Der Verkokung, bzw. dem Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1) wirken die eingespritzten homogenen Katalysatoren (2) entgegen, spülen diese wieder frei.
• Figur 3b: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Hauptstrom
• Gegenüber 3a entfällt die Mischkammer.
• Im Hauptstromprinzip werden analog die homogenen Katalysatoren (2) aus den Vorratsbehältern (31) für die Versorgung der Generatoren (30) der Turbopumpen (35) angesaugt.
• Figur 3c: homogene Katalysatoren: Einspritzung, Mehrwege-Einspritzung
• Gegenüber der 3b erfolgt in dieser Ausführungsvariante eine Einmischung in den Massenstrom außerhalb der Turbopumpen (30), bzw. der Generatoren (35). Über Ventile (37) wird der Massenstrom von Brennstoff (5) und Oxidator (6) unabhängig der gelösten homogenen Katalysatoren (2) reguliert. Die homogenen Katalysatoren (2) sind in separaten Vorratsbehältern in einer Lösung (300) z.B. Alkohol suspendiert.
• Die Dosierung erfolgt über Ventile (311) vor den Mehrwege-Düsen (310). Die Mehrwege-Düsen (310) dienen zur Einspritzung im Brennraum (3). Es werden die homogenen Katalysatoren (2) und Reduziermittel (5) bzw. Oxidator (6) über eine Mehrwege-Konfiguration der Mehrwege-Düsen (310) zugeführt. Dies reduziert den Mehraufwand im Leitungssystem (38) und strömungstechnische Verluste. Außerdem wird eine Entmischung, bzw. Anreicherung im Leitungssystem (38) vermieden. Jeweils ein Kanal an den Mehrwege-Düsen (310) wird vom homogenen Katalysator (2) beaufschlagt. Hierzu sind Vorratsbehälter (31) der homogenen Katalysatoren (2) in Reduzier- (5) und Oxidationsmittel (6) gelöst. Durch Überdruck in den Vorratsbehältern (31) findet ggf. eine Verflüssigung der Lösungen statt. Dies erleichtert den Betrieb der Mischwerke (39) und Pumpen (32). Durch jeweiligen Einlass (34) und Auslass (33) in den Tanks können die Suspensionen im Kreislauf gepumpt (32) und vergleichmäßigt werden.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen. Fouling wird durch die homogenen Katalysatoren (2) wieder entfernt. Darüber hinaus wird eine Oxidation der Oberfläche des Brennraumes (3) und thermische Belastung vermindert. Zudem wird ungleichmäßiger Zündverzug im Brennraum (3) reduziert und Druckschwankungen zugunsten einer gleichmäßigeren Verbrennung reduziert. Die Lebensdauer des Brennraumes (3) und die Betriebssicherheit werden gesteigert.
• Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist eine verbesserte Gleichmäßigkeit und Absicherung gegen Störungen in einem Tank (31). Der Grund ist die zweifache und unabhängige Speisung mittels homogener Katalysatoren (2).
• Figur 3d: homogene Katalysatoren: variable Einspritzung mit Metallpartikeln
• Diese Ausführungsvariante stellt ein weiteres Triebwerkssystem mit variabler Einspritzung dar.
• In der Startphase werden bei hohem Außendruck maximale Frachten an homogenen Katalysatoren (2) bzw. metallischen Partikeln in einer Lösung (300) zusammen mit dem Reduziermittel (5) bzw. dem Oxidator (6) eingespritzt. Homogene Katalysatoren (2) und Lösung (300) bilden eine Suspension. Das Triebwerkssystemes (301) erhält eine variable Einspritzung an Frachten homogener Katalysatoren (2) mit Lösung (300) bzw. Suspension (305). Die Suspension (305) aus Lösung (300) und homogenen Katalysatoren (2) verändert Reaktionsgeschwindigkeit, Temperatur und Druck im Brennraum (303). Die Temperatur kann ggf. gesenkt und der Druck gesteigert werden. Sowohl der Druck im Triebwerk (301) als auch am Düsenaustritt (304) können ggf. gesteigert werden, ohne die Temperatur des Brennraumes (303) zu stark zu erhöhen. Gleichzeitig wird der Schub durch das ternäre System in der Startphase maximiert. Die Expansion des Massenstromes (390) am Düsenaustritt (304) wird somit gezielt verändert.
• Mit zunehmender Höhe und somit abnehmenden Außendruck sind die Frachten der homogenen Katalysatoren (2) bzw. metallischer Partikel mit der Lösung (300) zu reduzieren, bzw. fortlaufend anzupassen. Dies ist abhängig der Fracht entsprechend fortlaufend bis zum Einsatzende des Triebwerkssystemes (301) möglich. Das Ziel ist ein Angleichen des Druckes am Düsenaustritt an den Umgebungsdruck um kinematische Strahlverluste möglichst zu verringern oder zu vermeiden. Relevant ist dies z.B. bei einem Vertikalstart in den niedrigen Erdorbit.
• Figur 4a: heterogene Katalysatoren: profilierte Brennraumwände
• In dieser Ausführungsvariante ist eine Grundform heterogener Katalysatoren (1) als profilierte Brennraumwände dargestellt. Neben dem Querschnitt ist eine räumliche Projektion vorhanden. Alternativ zum konzentrischen Querschnitt sind auch ebene Querschnitte mit dieser Profilform möglich.
• Diese Querschnitte haben spitz-zulaufende Einkerbungen (41). Die spitz-zulaufenden Einkerbungen (41) reduzieren den durchströmbaren Querschnitt in Wandnähe. Randströmungen können gezielt angepasst werden. Auch die Wärmereflektion durch geneigte Mehrflächen werden so verändert. Gold und Platin weisen ab bestimmter Schichtstärke sehr gute Eigenschaften zur Wärmereflexion auf.
• Ein weiterer Vorteil dieser Grundform ist, dass die mögliche Fläche zur Beschichtung mit heterogenen Katalysatoren (1) erhöht wird. In Längsachse kann zudem das Profil angepasst werden, z.B. die Einkerbungen stromabwärts vermindert werden.
• Figur 4b: heterogene Katalysatoren: Axialplatten
• Gegenüber der 4a sind in dieser Ausführungsvariante separate Platten (42) mit vergrößerten Seitenflächen veranschaulicht. Diese weitere Grundform heterogener Katalysatoren bietet zusätzliche Vorteile.
• Die separaten Platten (42) betten sich in Halterungen (43) ein und können demnach gesondert vereinfacht hergestellt werden. Es entstehen zusätzliche Möglichkeiten in der Fertigung und Kombination.
• Alternativ können die separaten Platten (42) auch zur Sektionierung im Brennraum dienen. So ist eine räumliche Trennung von jeweiliger Einspritzung oder Verbrennung umsetzbar um z.B. Druckspitzen zu vermeiden bzw. zu vermindern. So wurden beispielsweise bei den Triebwerkssystemen der Saturn V Rakete Trennbleche an den Kopfplatten / Injektorplatten verbaut.
• Alternativ ist eine Umgestaltung oder Ergänzung als Spritzplatten möglich. Hierzu sind die Enden der separaten Platten (42) z.B. mit einer runden Form zu ergänzen.
• Figur 4c: heterogene Katalysatoren: Wabenstruktur
• In dieser Ausführvariante heterogener Katalysatoren (1) sind zur weiteren Erhöhung der spezifischen Oberfläche zusammen gestellte Wabenstrukturen (44) dargestellt. Die Wabenstrukturen (44) bestehen aus wellenförmig verformten Blechen (45) und trennenden Ringblechen (46). Diese Grundform ist technologisch bekannt.
• Alternativ sind andere Aufteilungen einschließlich einem geschlossenem Zentrum möglich. Zudem ist die Gestaltung als Spritzplatten möglich. Die Spritzplatten können z.B. an den runden Ringblechen (46) eingesetzt werden.
• Figur 4d: heterogene Katalysatoren: länglich gestreckt
• In dieser Ausführungsvariante ist eine weitere mögliche Grundform heterogener Katalysatoren (1) erfasst. Es sind bei rundem Querschnitt länglich gestreckte Katalysatoren (47) geformt. Der freie Querschnitt wird hierdurch geringstmöglich und gleichmäßig durchzogen.
• Die länglich gestreckten Katalysatoren (47) können z.B. auch zur Anordnung von Zündern oder Injektoren verwendet werden. Eine weitere technologische Möglichkeit ist der Einbau von Stabantennen für elektromagnetische Sender (z.B. Mikrowellen).
• Alternativ können die gestreckten Katalysatoren (47) auch an der Stirnseite zulaufen, bzw. gewölbt werden.
• Figur 4e: heterogene Katalysatoren: konzentrisch
• In dieser Variante wird die bekannte Form heterogener Katalysatoren (1) aus konzentrischen Ringblechen (48) ausgeführt. Diese können alternativ auch zu Spritzblechen umgeformt sein. In der Mitte ist ein freier Kern durchströmbar.
• Konzentrische Ringbleche (48) sind insbesondere bei runden Querschnitten strömungstechnisch vorteilhaft. Ähnlichkeiten ergeben sich zudem zu Geometrien von Ringbrennkammern. Ringbrennkammern werden allgemein gute Brennraumbedingungen insbesondere bei Unterschallverbrennungen zugeschrieben.
• Alternativ sind andere Unterteilungen oder Kombinationen der Ausführungsvarianten 4a bis 4e möglich. Auch ergeben sich in Längsachse weitere Varianten mit glattem Ende, runder Form / Rundform (Spritzplatte), oder gleichmäßiger Veränderung der einzelnen Profile. So kann ein zunehmender freier Querschnitt gebildet werden.
• Figur 5: heterogene Katalysatoren: Aufbau/ Oberfläche
• Diese Ausführungsvariante stellt ein weiteres Triebwerkssystem dar.
• Im Brennraum (3) sind heterogene Katalysatoren (1) angeordnet. Die heterogenen Katalysatoren (1) bestehen aus einem Grundkörper, bzw. Kern (51) aus einer temperaturbeständigen Legierung, bzw. Material vorzugsweise aus Molybdän. In dieser Ausführungsvariante wird ein Grundkörper (51) aus Molybdän dargestellt. Alternativ kann aus Wolfram oder z.B. Vanadium der Grundkörper (51) gebildet werden. In diesem Grundkörper (51) sind Leitungen (52) eingelassen, bzw. eingebohrt zur reaktiven Kühlung z.B. mittels Reduziermittel (5). Alternativ kann auch mittels des Oxidators (6) gekühlt werden. Über angeschlossene Öffnungen / Düsen (53) kann das Reduziermittel (5) von diesen Leitungen (52) in den Brennraum (3) eingespritzt werden.
• Der Kern (51) wird außen zur weiteren Strukturierung und Verbund mechanisch aufgeraut. So kann z.B. durch Präzisionsschliff mittels Diamantschleifmittel bearbeitet werden. Es wird beginnend mit mittlerem Schliff (54) (z.B. 180er Körnung / Mesh) und folgend rauem Schliff (55) (z.B. 80er Körnung / Mesh) ein Relief aufgetragen. Schleifrückstände auf der Oberfläche sind zu entfernen (z.B. durch öl freies Ausblasen, Ausklopfen). Für eine höhere Effektivität des Schliffbildes ist der mittlere Schliff (54) senkrecht zum groben Schliff (55) aufgeprägt. Zusätzlich kann auch mit anderen mechanischen Verfahren strukturiert werden (z.B. Bürsten oder Sandstrahlen) oder weiter mit elektromagnetischen Verfahren verfeinert strukturiert werden (z.B. gepulstem Laser (56)).
• Die Strukturierung steigert die katalytische Grundwirksamkeit des heterogenen Katalysators (1). Auch soll der Verbund am Grundkörper, bzw. die Standzeit erhöht werden. Hiermit soll auch einem möglichen Temperaturgefälle durch verbesserter Wärmeleitung und schädlichen Relativverformungen konstruktiv entgegengewirkt werden. Zudem kann durch größere Kontaktfläche die Wärmeleitfähigkeit im Verbindung angepasst werden. Der thermischen Zerstörung bzw. Versinterung der katalytischen Beschichtung soll hiermit entgegengewirkt werden. Grundsätzlich kann hierzu auch eine Zwischenschicht / Zwischenlot ergänzt werden, welche thermisch gut leitfähig und mechanisch flexibel ist (z.B. Gold-Legierungen, Rhenium).
• Auf den Grundkörper (51) wird eine Schicht (57) aufgetragen. Die Schicht (57) besteht aus einer Platin-Rhenium-Legierung (55 % Platin und 45 % Rhenium), welche zusätzlich mit weiteren Platingruppenmetallen, bzw. mit Metallen dotiert ist. Es können z.B. Rhodium, Ruthenium, Palladium, Silber, Kupfer und Molybdän in Spuren zugefügt werden. Die Schicht (57) kann z.B. durch Aufsintern feiner Partikel oder Aufschmelzen flüssiger Phase aufgetragen werden. Im Weiteren wird vereinfachend von einer Schicht (57) geschrieben. Die Dicke der aufgetragenen Beschichtung (57) beträgt vorzugsweise im Submillimeterbereich nur ca. 100 µm. Abhängig der gewählten weiteren Oberflächenbearbeitung kann die Dicke auch variieren. Durch einen pulsbaren Laser (56) wird auf der hochkatalytischen Schicht (57) eine Struktur aus Kratern (58) und Rillen (59) aufgeprägt. Diese Krater (58) können eine Länge von ca. 1-10 µm und die Rillen (59) eine Länge von ca. 100 µm umfassen. Die Rillen (59) werden mit einer Breite von ca. 10 µm und Abstand von ca. 10 µm zueinander in Reihen aufgeprägt. Im Ergebnis entsteht eine Struktur, die eine hohe spezifische Oberfläche aufweist. Die Oberfläche ist somit katalytisch zusätzlich aktiviert.
• Es können alternativ aber auch gezielt weitere Schichten, z.B. als Opfer- /Verschleißschichten aufgetragen werden um zusätzliche Strukturen zu erzeugen und die Einsatzzeit zu erhöhen. So ist eine weitere Vertiefung der Strukturen möglich.
• Grundsätzlich ist anzumerken, dass sich im Brennraum (3) zwangsläufig Ablagerungen aus unverbrannten Bestandteilen, bzw. Rückständen, Verunreinigungen und z.B. oxidischen Schichten bilden (Fouling). Dem wirkt neben der Legierung der katalytischen Schicht (57) mit dem hohen Anteil an Rhenium von ca. 45% auch die zusätzliche Einspritzung von homogenen Katalysatoren (2) entgegen. Verkokung, bzw. Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1) wird vermindert / gestoppt.
• Figur 6: Turbopumpe
• Diese Ausführungsvariante stellt eine Turbopumpe (65) einschließlich katalytisch unterstütztem Generator (60) im Schema dar.
• Im Generator (60) der Turbopumpe (65) werden heterogene Katalysatoren (1) an möglichen Brennern (61), bzw. im Brennraum (63) aufgebracht. Auch der Einsatz katalytischer Einbauten ist möglich (Grundformen 4a bis 4e).
• Über die Einspritzung (61) wird das Reduziermittel (5) und der Oxidator (6) eingebracht. Die Leistung der Turbopumpe (60) wird durch direktere bzw. verlustärmere Wandlung von chemischer in kinetische Energie erhöht und die Wärmeentwicklung angepasst. Durch verringerte Temperatur sinkt der Kühlaufwand und die Festigkeit der Werkstoffe wird maximiert. Dies erlaubt eine höhere mechanische Belastung, somit mögliche höhere Leistung und Lebensdauer der Turbopumpe (65), bzw. des Generators (60).
• Am Brenner (61) und dem Brennraum (63) werden die Grundkörper (64) der heterogenen Katalysatoren (1) mechanisch aufgeraut, z.B. mittel- (54) und grob (55) angeschliffen. Hierzu wird Schleifpapier beginnend mit 180er Körnung / Mesh in Querrichtung der späteren Hauptströmung eingesetzt und anschließend in Längsrichtung 80er Körnung / Mesh. Alternativ können auch gröbere Schleifstärken verwendet werden. Dies ist insbesondere von der Schichtstärke der aufzubringenden katalytischen Beschichtung (57) abhängig.
• Es ist eine katalytische Edelbeschichtung (57) aufzuschmelzen (55% Platin und 45 % Rhenium) mit einer Schichtstärke von ca. 10 µm in dieser Ausführungsvariante. Die katalytische Edelbeschichtung (57) ist durch Oberflächenbehandlung mittels gepulstem Laser (56) chemisch zu aktivieren. Mit einer Tiefe von 1 µm sind Krater (58) (1-10 µm Länge) und Rillen (59) (ca. 100 µm Länge) aufzuschmelzen. Die Breite der Krater (58) und der Rillen (59) beträgt 1 µm und der Abstand wenige Mikrometer (1-5 µm).
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 7a: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Oxidator
• In dieser Ausführungsvariante ist ein Triebwerkssystem mit länglich-gestreckten Katalysatoren (70) abgebildet.
• Aufgrund der Reaktivkühlung erfolgt eine Einspritzung bei erhöhter Temperatur und im erwärmten Brennraum (73). Dennoch sind zum Initiieren der Reaktion und Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit in der Startphase zwischen den gestreckten Katalysatoren (70) zusätzlich Zünder (71) angeordnet. Die gestreckten Katalysatoren (70) verteilen sich über den Querschnitt des Brennraumes (73). Zusammen mit den heterogenen Katalysatoren (1) der Wandbeschichtung bilden diese die heterogenen Katalysatoren.
• Zur Erreichung der größtmöglichen katalytischen Aktivität durch Kontakt mit Frischmassenstrom werden die heterogenen Katalysatoren (1 + 70) in den Anfangsbereich des Brennraumes (73) eines konventionellen Raketentriebwerkssystemes angeordnet. In diesem Bereich besteht das größte Reaktionspotential und die größte Nähe zur Umsetzung. Zudem kann eine Dissoziation abstromseitig des Brennraumes (73) für die Energiebilanz nachteilig sein (zusätzliche endotherme Zersetzung). Freie Bindungspartner können im Anfangsbereich so unmittelbar in Reaktion treten und die Reaktionstemperatur gesenkt werden. Ein frühestmöglicher Kontakt und eine Wirksamkeit werden direkt im Bereich der Verbrennungsreaktion ermöglicht. Dieser Bereich befindet sich an der Eindüsung des Oxidators (6), bzw. des Reduziermittels (5). Alternativ kann auch zur verbesserten Wärmereflexion der gesamte Bereich des Brennraumes (73) und Düse katalytisch beschichtet werden (z.B. mit Gold, oder chemisch beständigeren Platin-Legierungen)
• Die zusätzlichen heterogenen Katalysatoren (70) werden länglich-gestreckt angeordnet um eine größtmögliche Kontaktfläche bei minimal möglichem Strömungswiderstand zu erzielen. Alternativ kann über die länglich gestreckte Form eine Leitung für die separate Einspritzung (74) von Brennstoffkomponenten (5) betrieben werden. Brennstoflkomponenten sind z.B. H₂ oder CH₄ bzw. eingemischte homogene Katalysatoren (2). Hierbei kann der Katalysatorwerkstoff zugleich gezielt über die Reaktivkühlung gesteuert gekühlt werden.
• Der Grundkörper der heterogenen Katalysatoren (70) wird mechanisch aufgeraut (mittel- und grob angeschliffen). Hierzu wird Schleifpapier aus Diamant beginnend mit 180er Körnung / Mesh in Querrichtung der späteren Hauptströmung eingesetzt und anschließend in Längsrichtung 80er Körnung / Mesh. Alternativ können auch gröbere Schleifstärken verwendet werden. Dies ist insbesondere von der Schichtstärke der aufzubringenden katalytischen Beschichtung abhängig. Es ist eine katalytische Edelbeschichtung aufzubringen (55% Platin und 45 % Rhenium) mit einer Schichtstärke von ca. 100 µm.
• Einer Verkokung, bzw. einem Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1 + 70) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 7b: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Spritzplatte
• Gegenüber 7a werden in dieser Ausführungsvariante die heterogenen Katalysatoren (72) seitlich von Reduziermittel (5) und Oxidator (6) angeströmt. Gegenüber 7a sind die heterogenen Katalysatoren (72) mit Spritzplatten (79) ausgebildet. Es fehlt die zusätzliche Einspritzung der 7a. Die heterogenen Katalysatoren (72) sind zur Reaktivkühlung mit einer Kühlschleife versehen.
• In den Grundkörpern der heterogenen Katalysatoren (72) sind Leitungen (740) als Kühlschleife eingebohrt.
• Figur 7c: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung
• Gegenüber 7a werden in dieser Ausführungsvariante die heterogenen Katalysatoren (70) seitlich von Reduziermittel (5) und Oxidator (6) angeströmt. In den Grundkörpern der heterogenen Katalysatoren (70) sind Leitungen (740) als Kühlschleife eingebohrt. Am Stirnende (74) ist eine Querleitung (78) eingefräst. Die obere (76) und untere Hälfte (77) der heterogenen Katalysatoren (70) sind verbunden, z.B. durch Verschweißen.
• Die zusätzliche Einspritzung (74) erfolgt seitlich um eine bessere Vergleichmäßigung der Einspritzung zu erzielen.
• Figur 7d: Triebwerkssystem (Rakete): gestreckte Anordnung, Mixplatte
• Wie 7c. Jedoch sind zwischen den gestreckten heterogenen Katalysatoren (72) zusätzlich Mixplatten (720) angeordnet. Die Mixplatten (720) werden von Reduziermittel (5) und Oxidator (6) angeströmt. Die Mixplatten (720) im Kern aus Molybdän sind katalytisch mit einer Platin-Rhenium-Legierung beschichtet (55 % Platin und 45 % Rhenium). Der Kern der Mixplatten und die katalytische Beschichtung sind analog der Beschreibung in 7a aufgebaut (ca. 100 µm Schichtstärke, senkrechte Schliffe).
• Figur 8a: Triebwerkssystem (Rakete): Wabenstruktur, mehrstufig
• In dieser Ausführungsvariante wird ein heterogener Katalysator gebildet aus katalytischer Wandbeschichtung (1) an einem Teil des Brenriraumes (3) und aus einer wabenförmigen Grundstruktur (83) im Anfangsbereich des Brennraumes (3).
• Um eine mechanisch geeignete, ausreichend chemisch beständige und katalytisch wirksame wabenförmige Grundstruktur (83) zu erzeugen, sind Ringbleche (80) und Wellbleche (81) miteinander zu verbinden. Die Wellbleche (81) besitzen eine runde Form um eine größere Kontaktfläche bei Durchströmung zu bieten. Die Bleche (80 + 81) sind senkrecht zur Strömungsrichtung im Brennraum (3) ausgerichtet. Durch eine konzentrische Anordnung und Verbund wird die wabenförmige Struktur gebildet (83).
• Diese Bleche (80 +81) sind im Kern (89) aus Molybdän hergestellt. Die Ringbleche (80) und Wellbleche (81) sind beidseitig katalytisch beschichtet (87).
• Die wabenförmige Struktur (83) kann an den äußeren Einspritzdüsen (85) mit der Kopfplatte (90) des Brennraumes (3) verbunden werden. Hierdurch besteht eine Möglichkeit zur reaktiven Kühlung. Die Bleche (80 + 81) werden thermisch an den Kontaktstellen verschweißt oder verlötet. Die Bleche (80 und 81) werden in einer Stärke ausgeführt, die der beschleunigten Reaktion von Reduziermittel (5) und Oxidator (6) standhält.
• In der Kopfplatte (90) sind zusätzlich innere Einspritzdüsen für Oxidator (6) und homogenen Katalysatoren (2) vorhanden. Anteilig wird in magerem Verhältnis Reduziermittel an den inneren Einspritzdüsen der Kopfplatte (90) eingespritzt. An der wabenförmigen Struktur (83) wird in einer ersten Stufe mager im Brennraum (3) verbrannt. Abstromseitig wird durch weitere Einspritzung der äußeren Einspritzdüsen (85) der Treibstoff weiter verbrannt. Durch diese gestufte Verbrennung können Verbrennungsdruck, -temperatur und -geschwindigkeit stark reguliert werden.
• Die Bleche (80 + 81) und die äußeren Einspritzdüsen (85) bestehen aus einem Kern (89) mit einer Stärke von mindestens ca. 10 mm und einer katalytischen Beschichtung (87) mit einer aufgetragenen Stärke von ca. 10 µm aus Platin-Rhenium (ca. 55% Platin und 45 % Rhenium). Alternativ ist eine Legierung mit anderen Anteilen an Platin und Rhenium möglich.
• In den Freiräumen werden regelmäßig Zünder (71) angeordnet um die Reaktion zu starten, bzw. in der Startphase die Reaktion zu beschleunigen. Mit steigender Temperatur steigt die Aktivität der heterogenen Katalysatoren (1 + 83). Die Zünder (71) können im laufenden Betrieb teilweise, oder ggf. ganz deaktiviert werden. Die äußeren Einspritzdüsen (85) können alternativ zusätzlich mit katalytischem Gewebe umwickelt werden. Hierauf wurde in dieser Ausführungsvariante jedoch verzichtet.
• Der Verkokung, bzw. möglichem Fouling an der wabenförmigen Struktur (83) - gebildet durch Bleche (80 + 81) und heterogenem Katalysator (1) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 8b: Triebwerkssystem (Rakete): konzentrische Anordnung, mehrstufig
• Gegenüber 8a wird in dieser Ausführungsvariante auf die Wellbleche (81) verzichtet. Somit ist in dieser Ausführungsvariante eine weitere mögliche Grundstruktur (84) heterogener Katalysatoren mit Wandbeschichtung (1) und Rundblechen (80) dargestellt.
• In den Freiräumen sind analog separate Einspritzdüsen (85) zur reaktiven Kühlung der katalytischen Struktur (84) aufgeführt.
• Mit dieser Anordnung wird analog zur 8a eine gestufte Verbrennung ermöglicht.
• Figur 9a: Triebwerkssystem (Rakete): Wabenstruktur, einstufig
• Gegenüber der Ausführungsvariante 8a entfallen in dieser Figur die gesonderten Düsen. Es wird ausschließlich an der Kopflatte (90) über eingebaute Düsen (95) eingedüst.
• Die wabenförmige Struktur (93) ist an den Wänden des Brennraumes (3) befestigt. Durch entsprechende Anschlüsse kann wahlweise eine Reaktivkühlung über die Wände des Brennraumes (3) ergänzt werden.
• Figur 9b: Triebwerkssystem (Rakete): konzentrische Anordnung,einstufig
• Gegenüber der Ausführungsvariante 8b entfallen in dieser Figur die gesonderten Düsen stromabwärts der heterogenen Katalysatoren. Es wird ausschließlich an der Kopflatte (90) über innere Einspritzdüsen (95) eingespritzt. Gegenüber 9a fehlen die Wellbleche und die konzentrischen Ringbleche (80) sind verlängert ausgeführt und mit der Kopfplatte (90) verbunden um eine Reaktivkühlung zu ermöglichen.
• Es entsteht ein heterogener Katalysator mit konzentrischer Form (94)
• Figur 10: Triebwerkssystem (Aerospike): reduzierte Einschnürung
• In dieser Ausführungsvariante wird ein Schema zur Verwendung mittels Aerospikes (106) dargestellt.
• Der Brennraum (103) wird mit einer reduzierten Einschnürung (1030), gegenüber vergleichbaren Aerospikes (104) ausgeführt. Dies kann z.B. durch erhöhte Geschwindigkeit der Einspritzung aufgrund höherer Reaktionsgeschwindigkeit bei der Verbrennung erreicht werden. Die Einschnürung des Brennraumhalses vergleichbarer Aerospikes (104) ist angedeutet. Reduziermittel (5) und Oxidator (6) werden in den Brennraum (103) eingespritzt.
• Die heterogenen (1) und homogenen Katalysatoren (2) beeinflussen die Temperatur und Druck der Reaktion und erlauben eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit im Brennraum (103). Dies hat weitere Vorteile für die Kühlung. Die Wärmeabgabe, bzw. Kühlung kann gegenüber anderen Aerospikes auf eine größere Querschnittsfläche verteilt werden. Zusätzlich wird Reibung reduziert, was weitere positive Sekundäreffekte für den Wärmehaushalt des Brennraumes (103) bedeutet.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an den heterogenen Katalysatoren (1) des Brennraumes (103) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Bei höheren Einspritzgeschwindigkeiten, zugeführten Massenströmen, ist auch eine rohrförmige oder konische Brennraumform möglich.
• Figur 11: Triebwerkssystem (Scramjet): teilweise Beschichtung
• In dieser Ausführungsvariante ist ein luftatmendes Triebwerk mit Überschallverbrennung dargestellt (Scramjet).
• Nach Stand der Technik sind Scramjets möglichst strömungsgünstig konstruiert um einen möglichst großen Nettoschub zu erzeugen. Daher ist ein Einbau zusätzlicher Geometrien für heterogene Katalysatoren energetisch herausfordernd. Es werden daher ausschließlich zwingend notwendige Geometrien mit katalytischer Beschichtung (118) versehen.
• Katalytisch beschichtet (118) werden die Brenner (111) und ggf. Riblets (116) im Brennraum (113), sowie in Eckbereichen (120) vorgesehen. Zur Verbesserung der Strömungseigenschaften sind Riblets (116) entsprechend einer Haifischhaut an den Grenzen des Strömungskanals geeignet um katalytisch mit dem Luftmassenstrom (7) und dem Reduziermittel (5), bzw. Treibstoff zu reagieren. Alternativ sind auch Dimples möglich (analog zur Oberfläche von Golfbällen).
• Der Grundkörper (117) der heterogenen Katalysatoren besteht aus Molybdän. Im Bereich der Brenner (111) wird der Grundkörper (117) für die katalytische Beschichtung (118) mechanisch aufgeraut (mittel- und grob angeschliffen). Hierzu wird Schleifpapier beginnend mit 180er Körnung / Mesh in Querrichtung der späteren Hauptströmung eingesetzt und anschließend in Längsrichtung 80er Körnung / Mesh verwendet. Alternativ können auch gröbere Schleifstärken verwendet werden. Dies ist insbesondere von der Schichtstärke der aufzubringenden katalytischen Beschichtung (118) abhängig. Es ist eine katalytische Edelbeschichtung (118) aufzubringen (55% Platin und 45 % Rhenium) mit einer Schichtstärke von z.B. ca. 100 µm aufgetragen. Die katalytische Schicht (118) ist durch Oberflächenbehandlung mittels gepulstem Laser chemisch zu aktivieren. Mit einer Tiefe von 1-10 µm sind Rillen (ca. 100 µm) und Krater (1-10) aufzuschmelzen.
• Die Riblets (116) im Brennraum (113) bestehen aus Molybdänfasern (121) mit einer Schichtstärke von ca. 40 µm. Hierauf wird eine katalytische Edelbeschichtung (118) aus einer Platin-Rhenium-Legierung aufgebracht (ca. 55 % Platin und 45 % Rhenium). Die Schichtstärke der Edellegierung beträgt ca. 5 µm. Der Abstand der Riblets (116) beträgt ca. 50 µm. Die Riblets (116) werden auf einer Trägermatte oder Trägerblech (119) an den Außenwänden (112) des Brennraumes (113) angebracht. Das Material besteht z.B. aus Molybdän.
• In den Ecken, bzw. Zwickeln (120) des Brennraumes (113) sind zusätzliche katalytische Schichten (118) aufgetragen. In diesen Ecken (120) entstehen durch die Übergänge von Isolator auf Brennraum (113), bzw. durch den teilweise vom Einlauf fortgesetzten Spillmassenstrom Verwirbelungen. Die Verbrennung des Luftmassenstromes in diesem Bereich ist anspruchsvoll. Um den Ausbrand des Luftmassenstromes (7), bzw. des Reduziermittels (5) zu erhöhen ist eine katalytische Beschichtung (118) über die Riblets hinaus in diesen Ecken (120) vorteilhaft. Auf der Trägermatte / Trägerblech (119) aus Molybdän wird eine katalytische Edellegierung (118) aufgetragen. Diese katalytische Platin-Rhenium-Legierung (Platin 55 %, Rhenium 45 %) besitzt eine Schichtstärke von ca. 100 µm. In der Ausführungsvariante ist jeweils ein Zehntel der Seitenlänge des Brennraumes (113) zusätzlich zu beschichten. Die Riblets (116) werden mit Laser oder anderen thermischen Verfahren auf dem Trägerblech (119) befestigt.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an der katalytischen Beschichtung (118) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 12: Triebwerkssystem (Scramjet): vollständige Beschichtung
• Gegenüber den Ausführungen in 11 wird der gesamte Brennraum (113), d.h. die gesamten Außenwände (112) ab Brennraum (113) katalytisch beschichtet. Hierdurch soll der Ausbrand des Luftmassenstromes (7), bzw. des Reduziermittels (5) gesteigert werden. Da unter den Riblets (116) auch eine Edelbeschichtung (118) aufgetragen ist besteht eine hohe Haltbarkeit. Bei Ablösungen von Riblets (116) liegt die zusätzliche katalytische Beschichtung (118) des Brennraumes (113) frei.
• Figur 13: Triebwerkssystem (Ramjet): teilweise Beschichtung
• In dieser Ausführungsvariante ist ein luftatmendes Triebwerk mit Unterschallverbrennung dargestellt (Ramjet). Abgebildet ist eine konzentrische Triebwerksgeometrie mit Ringbrennraum/ -kammer.
• Grundsätzlich sind auch Ramjets möglichst strömungsgünstig konstruiert um einen möglichst großen Nettoschub zu erzeugen. Daher ist ein Einbau zusätzlicher Geometrien für katalytische Beschichtungen (138) energetisch nachteilig. Es werden daher ausschließlich notwendige Geometrien katalytisch gestaltet und ggf. erweitert.
• Über die Einspritzung (131) gelangt der Brennstoff (5) und die homogenen Katalysatoren (2) zum einströmenden Luftmassenstrom (7). In dieser Ausführungsvariante des Ramjets wird eine katalytische Beschichtung (138) an den Brennern (134) und im Bereich des Brennraumes (133) auf den Riblets (136) und in Randbereichen (135) angeordnet.
• Die Trägerschicht, bzw. der Grundkörper (137) wird aus Molybdän, bzw. einer Molybdänlegierung erstellt. Alternativ sind auch andere Metalle und Legierungen möglich (z.B. Eisen-/Nickel-Legierungen, Vanadium-Legierungen, Wolfram/ Wolframlegierungen). Im Bereich der Brenner (134) werden die Grundkörper (137) der katalytischen Beschichtung (138) mechanisch aufgeraut (mittel- und grob angeschliffen). Hierzu wird Schleifpapier aus Diamant beginnend mit 180er Körnung / Mesh in Querrichtung der späteren Hauptströmung eingesetzt und anschließend in Längsrichtung 80er Körnung / Mesh eingearbeitet. Alternativ können auch gröbere Schleifstärken verwendet werden. Dies ist insbesondere von der Schichtstärke der anschließend aufzubringenden katalytischen Beschichtung (138) abhängig.
• Es ist darauf eine katalytische Edelbeschichtung (138) aufzubringen (55 % Platin und 45 % Rhenium) mit einer Schichtstärke von 100 µm. Die Schicht ist durch Oberflächenbehandlung mittels gepulstem Laser chemisch zu aktivieren. Mit einer Tiefe von 1-10 µm sind Krater (142), ≤1 µm und Rillen (143) ca. ≤100 µm Länge thermisch einzuarbeiten.
• Im Brennraum (133) werden Riblets (136) aus Molybdänfasern mit einer inneren Schichtstärke bzw. Seele (141) von ca. 40 µm verwendet. Auf den Molybdänfasern wird eine katalytische Edelbeschichtung (138) aus einer Platin-Rhenium-Legierung aufgeschmolzen (ca. 55 % Platin und 45 % Rhenium). Die Schichtstärke der Edellegierung (138) beträgt in diesem Bereich ca. 5 µm. Der Gesamtdurchmesser der Riblets (136) umfasst so jeweils ca. 50 µm. Die Riblets (136) werden in einem Raster von ca. 100 µm, bzw. jeweils ca. 50 µm Abstand zueinander angeordnet. Die Riblets (136) werden auf einer Trägermatte oder Trägerblech (139) an den Außenwänden (132) des Brennraumes (133) angebracht. Das Material besteht aus Molybdän.
• Auf der Trägermatte / Trägerblech (139) aus Molybdän ist eine katalytische Edellegierung (138) aufgetragen. Hierzu wird eine katalytische Platin-Rhenium-Legierung (Platin 55 %, Rhenium 45 %) mit einer Schichtstärke von ca. 100 µm verwendet. Die Riblets (136) werden mit Laser oder anderen thermischen Verfahren eingebettet.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an der katalytischen Beschichtung (138) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 14: Triebwerkssystem (Ramjet): vollständige Beschichtung
• Gegenüber den Ausführungen in 13 wird in dieser Ausführungsvariante die Trägermatte (139) im Brennraum (133) katalytisch beschichtet (138). Hierdurch soll der Ausbrand des Luftmassenstromes (7) und des Reduziermittels (5) auf das Maximum erhöht werden. Verwendet wird eine katalytische Edelbeschichtung (138) aus einer Platin-Rhenium-Legierung (Platin 55 %, Rhenium 45 %) mit einer Schichtstärke von ca. 100 µm. Aufgebracht wird die Edelbeschichtung (138) auf einer Trägermatte / Trägerblech (139) aus Molybdän.
• Da unter den Riblets (136) auch eine Edelbeschichtung (138) aufgetragen ist, besteht eine hohe Haltbarkeit, weil bei Ablösungen der Riblets (136) weitere katalytische Schichten aktiviert freiliegen.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an der katalytischen Beschichtung (138) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• Figur 15: Triebwerkssystem (Pulsstrahltriebwerk)
• In dieser Ausführungsvariante ist ein luftatmendes Triebwerk mit pulsierender Verbrennung dargestellt (Pulsstrahltriebwerk).
• Im Pulsstrahltriebwerk wird eine katalytische Beschichtung (158) an den Brennern (151) und im Brennraum (153), bzw. Riblets (156) aufgebracht. Der Ausbrand des Luftmassenstromes (7) und die Nutzung des Reduziermittels (5) soll so gesteigert werden. Rückstände aus unvollständiger Verbrennung, und nicht verbrannte Bestandteile insbesondere aufgrund der kurzen Brenndauern sind zu minimieren.
• Im Bereich der Zünder (151) und des Brennraumes (153) wird der Grundkörper (157) der katalytischen Beschichtung (158) mechanisch aufgeraut (mittel- und grob angeschliffen). Hierzu wird Schleifpapier beginnend mit 180er Körnung / Mesh in Querrichtung der späteren Hauptströmung eingesetzt und anschließend in Längsrichtung 80er Körnung / Mesh. Alternativ können auch gröbere Schleifstärken verwendet werden. Dies ist insbesondere von der Schichtstärke der aufzubringenden katalytischen Beschichtung (158) abhängig.
• Die Riblets (156) sind auf einem Trägerblech (159) zur Wand (152) des Brennraumes (153) befestigt und weisen eine katalytische Edelbeschichtung (158) auf. Diese Beschichtung (157) besteht auch aus 55 % Platin und 45 % Rhenium. Die Schichtstärke beträgt auf dem Trägerbleich ca. 10 µm und den Riblets (156) ca. 5 µm. Die Schicht ist durch Oberflächenbehandlung mittels gepulstem Laser chemisch zu aktivieren. Krater sind aufzuschmelzen.
• Der Verkokung, bzw. dem Fouling an der katalytischen Edelbeschichtung (158) wirken die zusätzlich einzuspritzenden homogenen Katalysatoren (2) entgegen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102021004141 [0006, 0098, 0109]
• DE 60016706 T2 [0008, 0021]
• DE 19500997 C1 [0008]
• GB 00000153113 A4 [0009]
• US 000003545879 A [0012]
• US 20200049103 A1 [0013]
• DE 60203315 T2 [0014]
• DE 19500997 [0014]
• US 00003407604 [0015, 0039]
• US 8882863 B2 [0017]
• US 20080257146 A1 [0017]
• DD 77961 [0018]
• EP 000003128165 A1 [0019]
• US 20130205754 A1 [0019]
• US 20090120060 [0019]
• US 20130205754 [0019]
• US 20160176771 A1 [0019]
• US 20050044778 A1 [0022]
• US 20110154726 A1 [0023]
• US 20090056207 A1 [0023]
• WO 001995004119 A1 [0024]
• US 20180298846 A1 [0025]
• US 20090123360 A1 [0026]
• WO 002010098746 A1 [0027]
• US 000003272879 A [0028]
• US 000006602067 B1 [0029]
• US 7635461 B2 [0032]
• GB 000001252497 A [0033]
• US 020190209997 A1 [0037, 0038, 0047]
• US 2013020575 A1 [0040]
• US 20050070431 A1 [0042]
• US 20030074887 [0044]
• EP 3591210 A1 [0045]
• EP 2475859 B1 [0048]
• DE 102021001272 [0049, 0098, 0109]
• US 2011/0154726 A1 [0094]
• US 2009/0056207 A1 [0094]

Claims (27)

1. Verfahren zur katalytischen oder ternären Reaktion in flüssigen chemischen Triebwerkssystemen mit Verbrennung mindestens eines separaten Oxidators aus Sauerstoff oder Luftsauerstoff (z.B. Raketentriebwerkssystemen, Überschallraketenbrennkammern, Detonationstriebwerken, Gasturbinen, bzw. Gasturbinen für Turbopumpen), luftatmenden Triebwerkssystemen (z.B. Pulsstrahltriebwerken, Unterschall-Staustrahltriebwerken, Ramjets, Dualmode Ramjets, Scramjets, Detonationstriebwerken, Kombinationsantrieben) Dadurch gekennzeichnet, dass durch Zusatz mindestens einer der beiden folgenden Zusätze homogene Katalysatoren (2) oder metallische Zusätze gegenüber Verbrennung ohne einen der benannten Zusätze in den benannten Triebwerkssystemen mindestens eines der folgenden Prozessparameter beeinflussen: Brennraumtemperatur, Brennraumdruck, maximal möglicher Massenstrom mit hinreichender Verbrennung, Druckniveaus in Strömungsrichtung, Druckniveaus senkrecht zur Strömungsrichtung, Temperaturniveaus in Strömungsrichtung, Temperaturniveaus senkrecht zur Strömungsrichtung, mindestens erforderlicher Massenstrom, maximal mögliche räumliche Geschwindigkeit des Massenstromes am Beginn des Brennraumes, Transport latenter Wärme, superadiabatische Brennraumbedingungen und zusätzlich zu den vorher benannten Prozessparametern und ungeachtet einer veränderten Brennraumlänge zusätzlich zur veränderten Auslegung mindestens einer der folgenden Systemparameter eingesetzt werden: Brennraumbreite, Brennraumquerschnitt, Neigungen der Brennraumbegrenzungen wie z.B. Einschnürungen / Aufweitungen an Düsen, Düsenlängen, Düsenneigung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass die homogenen Katalysatoren (2) oder metallischen Zusätze in Faserstruktur, bzw. Faserverbund eingebracht werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2. Dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbund aus mindestens einem der folgenden Elemente oder mindestens einer Legierung gebildet aus mindestens einem der folgenden Elementen besteht: Eisen, Nickel, Kupfer, Vanadium, Platingruppenmetalle, Elemente der IV, V, VI, VII, VIII, I und II Nebengruppe besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. Dadurch gekennzeichnet, dass die homogenen Katalysatoren (2) oder metallischen Zusätze zusätzlich mit einem oder mehreren Partikeln homogener Katalysatoren versehen sind, z.B. versintert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag der homogenen Katalysatoren (2), bzw. Metallpartikel während der Reaktion verändert wird um z.B. den Druck am Düsenaustritt an den Umgebungsdruck anzupassen (z.B. für Senkrechtstarts), oder außerhalb des Regelbetriebes des Triebwerkssystems (z.B. in Startphase, Brennschlussphase).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass die homogenen Katalysatoren (2) mit mindestens einem der folgenden Eigenschaften gegenüber mindestens einem der übrigen Treibstoffkomponenten in den Brennraum eingebracht werden: erhöhte Einspritzgeschwindigkeit, veränderte Einspritztemperatur, veränderte Konzentration entlang des Brennraumquerschnittes, oder verändertem Einspritzort entlang der Brennraumachse.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass die homogenen Katalysatoren (2) mit mindestens einem der folgenden Eigenschaften in den Brennraum eingebracht werden: in einer Lösung, in einer Lösung aus Alkohol, in einer Lösung zusammen mit Antiklopfmitteln, in einer Lösung zusammen mit Antivereisungsmitteln, in einer Lösung zusammen mit Antiflockungsmitteln, in einer Lösung zusammen mit Dispergiermitteln, versetzt in einer Lösung mit Zündverzug, verteilt in einem Wachs, verteilt in Paraffin.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass homogene Katalysatoren (2) mit mindestens einem der folgenden Parametern zueinander eingebracht werden: unterschiedliche photo-katalytische Effekte, unterschiedliche paramagnetische Eigenschaften, unterschiedliche ferromagnetische Eigenschaften, Verbund aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher photo-katalytischer Effekte, Verbund aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher paramagnetischer Eigenschaften, Verbund aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher ferromagnetischer Eigenschaften, Legierung aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher photo-katalytischer Effekte, Legierung aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher paramagnetischer Eigenschaften, Legierung aus homogenen Katalysatoren (2) unterschiedlicher ferromagnetischer Eigenschaften
9. Vorrichtung nach Anspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, dass heterogene Katalysatoren (1) im Brennraum eingesetzt werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Basis für die Beschichtung mit heterogenen Katalysatoren (1) mit mindestens einem der folgenden Verfahren strukturiert wird: mechanische Verfahren, mehrfache mechanische Verfahren, elektromagnetische Verfahren, mehrfache elektromagnetische Verfahren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der heterogenen Katalysatoren (1) mit mindestens einem der folgenden Verfahren strukturiert wird: mechanische Verfahren, mehrfache mechanische Verfahren, elektromagnetische Verfahren, mehrfache elektromagnetische Verfahren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum Dimples mit katalytischer Beschichtung vorhanden sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum Riblets mit katalytischer Beschichtung vorhanden sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung mindestens eines Teiles der Brennraumwandung mit mindestens einem der folgenden geometrischen Eigenschaften gestaltet wird: einragende Kerben oder Kurven geneigter Teilflächen zum Querschnitt, einragende Flächen gleichmäßiger Neigung zum Querschnitt, veränderlicher Größe der Kerben in Strömungsrichtung, veränderliche Größe der Kurven in Strömungsrichtung, veränderliche Größe der Fläche in Strömungsrichtung.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass die heterogenen Katalysatoren (1) reaktiv durch mindestens einer der folgenden Maßnahmen gekühlt werden: enthaltene Kühlschleifen, enthaltene Einspritzdüsen für gemeinsame Verbrennung, enthaltene Einspritzdüsen für nachgeordnete Verbrennung.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper, bzw. die Trägerstruktur der heterogenen Katalysatoren (1), bzw. katalytischen Beschichtungen aus Molybdän, bzw. einer Molybdänlegierung besteht, welche zusätzlich mindestens eine der folgenden Komponenten enthalten: Eisen, Nickel, Kupfer, Vanadium, Platingruppenmetalle, Elemente der IV, V, VI, VII, VIII, I und II Nebengruppe dotiert sein können.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 9. Dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper der heterogenen Katalysatoren (1) bzw. katalytischen Beschichtungen aus Wolfram oder mindestens einer Wolframlegierung besteht, welche zusätzlich mindestens eine der folgenden Komponenten enthalten: Eisen, Nickel, Kupfer, Vanadium, Platingruppenmetalle, Elemente der IV, V, VI, VII, VIII, I und II Nebengruppe dotiert sein können.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus mindestens einem Element der Platingruppenmetalle, Elemente der IV, V, VI, VII, VIII, I und II oder Nebengruppe besteht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Platin und Rhenium besteht, welche z.B. ca. 55 % Platin und ca. 45 % Rhenium enthalten.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Wolfram und Platin besteht, welche maximal ca. 75% Wolfram und ca. 25% Platin oder maximal ca. 80% Platin und ca. 20% Wolfram enthält.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Platin und Molybdän besteht, welche z.B. ca. 50 % Platin und ca. 50 % Molybdän enthält.
22. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Osmium und Iridium besteht, welche z.B. ca. 50% Osmium zu ca. 50% Iridium oder z.B. ca. 80% Osmium zu ca. 20% Iridium besteht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Iridium, Osmium und Platin besteht, welche z.B. ca. 45% Iridium, ca. 30% Osmium zu ca. 25% Platin enthält.
24. Vorrichtung nach Anspruch 1. und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Iridium, Rhenium und Rhodium besteht, welche z.B. ca. 42% Iridium, ca. 33% Rhenium und ca. 25% Rhodium enthält.
25. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9. Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein heterogener Katalysator aus einer Legierung aus Platin und Rhodium besteht, welche z.B. ca. 70% Platin zu 30% Rhodium enthält.
26. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9 Dadurch gekennzeichnet, dass die homogenen Katalysatoren (2) Reaktionsrückstände auf den heterogenen Katalysatoren mindestens in einer der folgenden Weisen verändern: Vermeidung der Reaktionsrückstände, Verminderung der Reaktionsrückstände, Lösung der Reaktionsrückstände, Umwandlung der Reaktionsrückstände.
27. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9 Dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrstufige Verbrennung im Brennraum oder der Düse gezielt eine energetisch überwiegende Überschallverbrennung herbeigeführt wird.

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