وقود هلامي جديد يجمع بين سلاسة السائل وصلابة الصلب

هل يمكن أن يخرج وقود الصواريخ من المادة نفسها التي تُبقي الشوكولاتة ناعمة وصلصة السلطة متماسكة؟ هذا ما يقترحه باحثان من جامعة Concordia، هما Pranay Mudaliar وJerin John، في دراسة نُشرت في مجلة Langmuir عن هلام من الكيروسين مصنوع بمادة الليسيثين. نتائجه المخبرية الأولى تبدو واعدة، لكنه لم يُختبر بعد في حاقنات المحركات الصاروخية ولا في ظروف الإطلاق، وهذا ما يفصل بين الورقة العلمية والرحلة الفضائية.

لماذا يبحث العلماء عن وقود بين الصلب والسائل؟

لكل من نوعي وقود الصواريخ مزايا وعيوب. المحرّكات الصاروخية المساعدة التي تعمل بالوقود الصلب، ومنها التي دفعت مكوك الفضاء، ثابتة ومتينة وسريعة الاشتعال. لكنها لا تُطفأ حين تبدأ، إذ يجب أن يحترق وقودها بالكامل.

الوقود السائل يعطي تحكماً أكبر، فيمكن خفض تدفقه وإعادة تشغيل المحرك مرات عدة. غير أن له مشكلاته. ففي انعدام الجاذبية يتماوج السائل داخل الخزان وقد تتكوّن جيوب بخارية تضرّ بالمضخات التوربينية ما لم تُرشَّح. وقد يتسرّب أو يتبخّر على مدى فترات طويلة، فتزداد صعوبة الرحلات التي تمتد سنوات عبر المجموعة الشمسية. وتناول Fraser تحديات إعادة التزوّد بالوقود في المدار، وهي من الملفات المرتبطة بهذه المشكلات.

لهذا يستكشف الباحثون منذ مدة وقوداً هجيناً يجمع خصائص الصلب والسائل. والوقود الهلامي أحد هذه الخيارات: يتصرف داخل الخزان كأنه صلب كثيف، وحين يُدفع بالضغط إلى غرفة الاحتراق يتصرف كسائل. وللهلامات في المقابل عيبان معروفان، هما محدودية العمر التخزيني وتغيّر الطور بتغيّر الحرارة.

ما الذي يفعله الليسيثين داخل الخزان؟

الليسيثين مستحلب عضوي يظهر على آلاف ملصقات الأغذية في المتاجر، ويُستعمل في الشوكولاتة وصلصات السلطة. وفي هذا الوقود يؤدي دور عامل التهليم. تساعد كمية ضئيلة من ملح كلوريد الكالسيوم جزيئات الليسيثين على تكوين ما يسمى المذيلات الدودية، وهي سلاسل تشكّل شبكة ثلاثية الأبعاد غير مرئية تُمسك جزيئات الكيروسين في أماكنها.

ولأن الليسيثين يحتوي على الكربون والهيدروجين، فإنه يحترق مع الكيروسين. وهذا يميّزه عن كثير من مكثّفات الهلام السابقة غير القابلة للاحتراق، إذ تضيف تلك المواد وزناً ميتاً.

كيف يتحوّل الهلام إلى سائل عند الحاجة؟

حين يكون الهلام ساكناً يحافظ على شكله ويمنع تماوج الوقود. وعندما يتعرض لضغط ميكانيكي أو إجهاد قصّ، ومنه ضغط خطوط الوقود، تتكسّر الشبكة ويتحول إلى سائل مؤقتاً. تنخفض لزوجته عندئذ بأكثر من 100 مرة، فيصبح قابلاً للضخ والرش عبر فوهات الحاقنات. وبمجرد زوال الضغط يعود إلى حالته الهلامية.

وهناك مسارات أخرى للتسييل: فتسخين الهلام إلى ما بين 59 و68 درجة مئوية قد يؤدي إليه، وكذلك كمية صغيرة من الإيثانول. والهلام شفاف، ما يتيح فحص بنيته وأنماط رشّه بكاميرات بصرية عالية السرعة وبالليزر. وبقي مستقراً في خزان أكثر من عام دون انفصال طوري ظاهر.

ما الذي لم يُختبر بعد؟

هذه النقطة أهم من أرقام المختبر. لم يرش الباحثون الهلام عبر حاقنات محركات صاروخية عالية الضغط، ولم يثبت بعد أنه يقاوم اهتزازات الإطلاق أو الصدمات الحرارية. وتبقى مسألة العمر التخزيني وتغيّر الطور بالحرارة، وهي عيوب الهلامات عموماً، مطروحة على أي وقود من هذه الفئة.

يقول الفريق إن وقوده قد يشغّل في المستقبل مهمة فضائية، لكن «قد» هنا تعني أن الطريق ما زال يمر عبر اختبارات الحاقنات وظروف الإطلاق. ويمكن الاطلاع على إعلان جامعة Concordia عن البحث وعلى ملخص دراسة هلام الليسيثين والكيروسين المنشورة في Langmuir. وتعود مادة الفيديو عن هندسة المحركات الصلبة إلى قناة Scott Manley على يوتيوب.