飞行速度是音速数倍的高超音速飞机有一天可能会在短短几个小时内将人们从美国运送到澳大利亚，但伴随着如此高的速度而来的是大量的热量。科学家希望防止它们过热的一种方法是让推进剂作为冷却剂发挥双重作用，使飞机在飞越天空时保持安全的工作温度。新开发的 3D 打印催化剂可能是这个难题的缺失部分，实验室测试显示它们如何触发必要的化学反应以实现高效吸热。
虽然高空寒冷的温度足以防止商用飞机过热，但对于以超过 6,100 公里/小时(3,790 英里/小时)的高超音速飞行的飞机来说，情况就不同了，飞机与外部空气之间的摩擦会产生巨大的热量。自 1960 年代以来，研究已经探索了通过所谓的吸热燃料解决这个问题的想法，吸热燃料既可以作为推进剂，也可以作为飞机的主要冷却剂。
在这种情况下，某种热交换器会从加热部件中捕获热量并将其转移到冷的碳氢燃料中。当燃料升温并达到一定温度时，它会触发化学反应，将碳氢化合物分解成更简单的单元，然后可用于推进。
“在为飞机提供动力的同时能够吸收热量的燃料是科学家们关注的重点，但这个想法依赖于需要高效催化剂的耗热化学反应，”第一作者、澳大利亚皇家墨尔本理工大学的 Roxanne Hubesch 说。“此外，由于高超音速飞机的体积和重量受到严格限制，燃料与催化剂接触的热交换器必须尽可能小。”
为了寻找这个问题的解决方案，Hubesch 和她的同事使用 3D 打印来生产由金属合金制成的晶格结构，这些金属合金涂有称为沸石的合成矿物。该团队将这些描述为微型化学反应器，并让它们通过实验室测试，旨在模拟燃料在高超音速下承受的极端温度和压力。这表明，随着结构升温，一些金属，很可能是铬，迁移到沸石骨架中，导致“前所未有的催化活性”。
“我们的 3D 打印催化剂就像微型化学反应器，使它们如此有效的原因是金属和合成矿物的混合物，”Hubesch 说。“这是催化的一个令人兴奋的新方向，但我们需要更多的研究来充分了解这个过程并确定金属合金的最佳组合以产生最大的影响。”
该团队以实验形式生产了各种 3D 打印催化剂，但在我们看到它们用于下一代飞机之前还有很多工作要做。科学家们现在将使用 X 射线同步加速器技术和其他方法来更详细地研究它们的功能并优化它们的性能。
“我们的实验室测试表明，我们开发的 3D 打印催化剂有望为高超音速飞行的未来提供燃料，”首席研究员 Selvakannan Periasamy 博士说。“它们功能强大且高效，为航空及其他领域的热管理提供了令人兴奋的潜在解决方案。随着进一步的发展，我们希望这种新一代的超高效 3D 打印催化剂可用于改造任何过热是一个永远存在挑战的工业过程。”
