Badania naukowe procesów, które łączy ogień
Na osłonie termicznej pojazdu kosmicznego wchodzącego w atmosferę planety oraz w biomasie drzewnej stosowanej do pozyskiwania energii odnawialnej zachodzi samonapędzający się proces fizyczno-chemiczny zwany pirolizą. Zbadanie mechanizmu reakcji pirolizy w tych porowatych materiałach jest istotne dla optymalnego zaprojektowania reaktorów pirolizy, w których otrzymywane są biowęglowodory i węgiel stały oraz systemów ochrony termicznej (ang. thermal protection systems, TPS) stosowanych podczas misji kosmicznych. Dzięki wsparciu z indywidualnego stypendium przyznanego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, projekt PATO z powodzeniem i w unikalny sposób połączył eksperymentalne i teoretyczne badania tych dwóch kluczowych obszarów.
Pozaziemskie pochodzenie
W 2009 roku Jean Lachaud, obecnie profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Bordeaux, rozpoczął prace nad stworzeniem Porous material Analysis Toolbox (PATO) – numerycznego narzędzia symulacyjnego do badania materiałów porowatych stosowanych w TPS, na zlecenie Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Narzędzie PATO, oparte na oprogramowaniu obliczeniowym typu open-source do modelowania dynamiki płynów OpenFOAM, zostało w 2012 roku udostępnione 20 zespołom ze Stanów Zjednoczonych i Europy pracującym głównie przy projektach w NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Współpraca nadal trwa. Lachaud dwa razy w roku wydaje aktualizacje w imieniu NASA, a standardowe wsparcie dla użytkowników jest zapewnione nieodpłatnie. W 2014 roku naukowiec wdrożył swój plan wykorzystania PATO do modelowania pirolizy biomasy oraz opracowania modeli predykcyjnych oraz innowacyjnego reaktora do pirolizy. Wtedy też Lachaud, współpracownik MCSA, i Azita Ahmadi z Wyższej Szkoły Rzemiosła (ENSAM), koordynatorka i nadzorczyni projektu, połączyli siły we wspieranym przez MCSA projekcie PATO. „Projekt PATO miał na celu znaczne udoskonalenie dotychczasowych procesów pirolizy, wsparte projektowaniem, budowaniem i wykorzystaniem dedykowanego obiektu eksperymentalnego, by w pełni scharakteryzować reakcje chemiczne w ośrodkach porowatych”, stwierdza Lachaud.
Opowieść o dwóch żywicach
TPS konstrukcji lotniczych są zazwyczaj wykonane z kompozytów węglowo-fenolowych składających się ze sztywnych włókien węglowych o małej gęstości impregnowanych polimerową żywicą fenolową. Kompozyt lignocelulozowy drewna ma podobną strukturę, w której włókna celulozy i hemicelulozy są połączone organiczną ligniną polimerową. Lachaud wyjaśnia: „W miarę jak ciepło przenika z warstwy granicznej do wnętrza materiału w stanie quasi-stabilnym, zmiany oryginalnego materiału można podzielić na cztery strefy: suszenia, pirolizy, pękania i koksowania oraz ablacji i tlenia. Modelowanie dotyczyło ograniczeń w podejściu do czterech zjawisk fizykochemicznych występujących w biomasie podczas pirolizy oraz w materiałach TPS podczas wchodzenia w atmosferę”.
Ożywienie w badaniach dotyczących pirolizy
Jednym z priorytetowych założeń indywidualnych stypendiów MCSA jest zapewnienie naukowcom długoterminowej pozycji na stanowisku naukowym w Europie, w tym w krajach pochodzenia naukowców. Po roku owocnej współpracy z ENSAM i partnerstwie z Wydziałem płynnych nośników ciepła Instytutu mechaniki i inżynierii na Uniwersytecie w Bordeaux, Lachaud otrzymał propozycję pracy na stanowisku profesora nadzwyczajnego i ją przyjął. Przez to projekt PATO trwał krócej, ale pionierskie prace się nie zakończyły. Lachaud podsumowuje: „Platforma PATO jest nadal aktualizowana, podobnie jak symulacje reaktora pirolizy. Oczekuje się, że ulepszenia prototypu reaktora doprowadzą do komercjalizacji reaktorów pirolizy, co będzie miało istotny wpływ zarówno na badania, jak i na przemysłowe zastosowania materiałów porowatych”.
Słowa kluczowe
PATO, piroliza, materiał porowaty, TPS, reaktor pirolizy, NASA, biomasa drzewna, osłona termiczna, żywica, system ochrony termicznej
