Synthèse et utilisation de nouveaux catalyseurs nanostructurés de décomposition de l'hydrazine pour des applications spaciales

Synthesis and utilization of a new nanostructured catalyst in hydrazine decomposition for spatial applications

• Auteur / Autrice : Ricardo Vieira
• Direction : Marc-Jacques Ledoux, Cuong Pham-Huu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Systèmes de commande d'orientation

Hydrazine

Supports de catalyseurs

Nanoparticules

Résumé

Au cours de sa vie, un satellite subit différentes influences extérieures qui peuvent le dévier de son orbite initiale. De ce fait, il est nécessaire de procéder périodiquement à de petites corrections afin de le maintenir à l'endroit souhaité à l'aide de micropropulseurs de faible puissance. La plupart des satellites actuellement en fonctionnement utilisent des micropropulseurs à décomposition catalytique de l'hydrazine par un catalyseur à base d'iridium supporté sur alumine stabilisée, avec une concentration en masse de métal se situant entre 30 et 40 %. Nous avons synthétisé un nouveau type de matériau à base de nanofibres de carbone (NFC) comme alternative au support traditionnel. Le procédé de synthèse consiste à faire croître des NFC sur un support macroscopique de nature (feutres, mousses, tissu) et de forme pré-définies, par décomposition catalytique d'un mélange d'éthane et d'hydrogène sur des particules de nickel dispersées à la surface du support. Nous avons choisi le graphite comme matériel de départ d'une part en raison de sa conductivité thermique élevée et d'autre part à cause de l'absence totale de porosité. Cette absence de porosité facilite l'accès des réactifs et n'empêche pas la croissance des nanofibres. Le composite à base de NFC a ensuite été imprégné avec 30 % en masse d'iridium et a subi différents traitements thermiques. Les performances de ces catalyseurs ont été évaluées pour la réaction de décomposition catalytique de l'hydrazine, tout d'abord dans un micro-pilote au laboratoire, ensuite dans un micropropulseur de 2 N sous conditions réelles d'utilisation. Les résultats obtenus sont comparés avec ceux du catalyseur commercial. Le catalyseur à base de NFC présente des performances nettement plus élevées que celles observées sur le catalyseur commercial tant en terme d'activité qu'en terme de stabilité. Ainsi, nous avons montré que ce support est très efficace par sa texture et par sa conductivité thermique dans les réactions nécessitant des transferts de masse et de chaleur rapides

During its lifespan, a satellite may undergo a variety of exterior influences that can eventually deviate it from its original orbit. As a result, it is necessary periodically to effectuate small corrections in the orbit of the satellite in order to maintain it on its desired course. This is done with the help of low-powered microthrust engines. Most satellites presently in use function using hydrazine catalytic decomposition microthrust engines with 30 to 40 wt. % iridium catalyst supported by stabilised alumina. We have developed by chemical vapordeposition a new material carbon nanofiber (CNF) base as an alternative to the traditional support. The procedure for this synthesis consists in growing CNF on a macroscopic support of a predefined nature (felt, foam, tissue, etc. ) and to form it by catalytic decomposition of ethane on nickel particles dispersed upon the surface of the support. We have chosen graphite as our precursor material, partly as a result of its elevated thermal conductivity and partly as a result of its total absence of porosity. This absence of porosity facilitates the access of reactive substances and at the same time does not impede the growth of the nanofibers. The NFC based composite was impregnated with 30 wt. % of iridium and submitted to a variety of thermal treatments. The overall performance of these catalysts has been evaluated in the hydrazine catalytic decomposition reaction, first in a micro-pilot plant under laboratory conditions, then in a 2 N microthruster under real-life conditions. The results obtained were compared with those of a commercial catalyst. The CNF based catalysts showed for better performance than the commercial catalyst from a standpoint of activity as from a standpoint of stability. In conclusion, we have demonstrated that this support is highly efficient in reaction needing fast mass and heat transfer due to its texture and it's thermal conductivity.