Brevet FR2523949A1 — publié le 19830930

La présente invention est relative à un matériau hautement énergétique et plus particulièrement à un propergol présentant une énergie aussi élevée que possible par unité de masse (ex:, permettant une impulsion spécifique élevée lequel propergol présente des applications en particulier dans le domaine de la technologie spatiale. La présente-invention est également relative à un procédé de production d'un tel propergol. Le propergol le plus généralement utilisé actuellement est constitué par un mélange d'hydrogène et d'oxygène liquides qui dégage une énergie E ~ R k.cal/g, permettant une impulsion spécifique Is - 600 sec. Ce propergol est considéré comme étant le plus énergétique de ceux actuellement proposés, sa vitesse d'éjection étant de 4100 m/s ; toutefois, un tel propergol présente des inconvénients importants au nombre desquels il y a lieu de citer les suivants : le point de fusion de l'hydrogène liquide est très bas (-2540C), ce qui nécessite un calorifugeage poussé des réservoirs de propergol et implique d'effectuer le remplissage très peu de temps avant le lancement.D'autre part, la faible densité de l'hydrogène nécessite des réservoirs assez volumineux, ce qui a pour conséquence que les moteurs à propergol hydrogène-oxygène liquides ne sont utilisés que pour les étages supérieurs des lanceurs. Le besoin se fait donc sentir de pouvoir disposer d'un propergol liberant une énergie considérablement plus élevée que le propergol hydrogène-oxygène liquides connu, car un tel propergol très énergétique assurerait une vitesse d'éjection plus grande que le propergol hydrogéne-oxygène, suffisante pour permettre des missions spatiales lointaines, actuellement difficilement réalisables du fait de la vitesse d'éjection insuffisamment grande du propergol connu, à quoi devrait s'ajouter l'avantage de ne plus devoir utiliser des réservoirs volumineux pour le propergol.En d'autres termes, le propergol optimum devrait être apte à produire, par combustion, des gaz dont la vitesse d'éjection à travers la tuyère du moteur à propergol liquide serait très élevée, créant ainsi une poussée élevée, puisque égale au produit du débit en masse des gaz, par leur vitesse d'éjection ; de façon plus spécifique, alors que l'énergie par unité de masse (Eg) du propergol hydrogeneoxygène connu est de 5 k.cal/g et son impulsion spécifique Ils~600 sec, le propergol recherché devrait permettre une libération d'énergie d'au moins Ex~20 k.cal/g et une impulsion g spécifique Is au moins égale à 1300 sec. Or, comme on le sait, (SCHMIDT, "Technische Thermo Jynamik", Springer 1963) les réactions physico-chimiques libérant l'énergie la plus élevée connues sont les réactions - de recombinaison de l'hydrogène atomique soit 102,8 k.cal/Mol ~ 51,4 k.cal/g ; 4,1 eV = 2100 sec. - de recombinaison de l'hélium métastable (Hem) Hem + He + 19,3 eV soit 444 k.cal/mol 2 111,2 k.cal/g ; 1,3 eV ; In 3100 sec. Aucune de ces réactions n'est possible lorsque les spins électroniques (+)sont alignés en parallèle. En effet - selon HEITLER-London (W.WEITZEL, "Lehrbuch der Theoritischen Physik", Springer 1958 - Berlin, Gôttingen, Heidelberg), seuls les atomes d'hydrogène à spins antiparallèles sont aptes à se recombiner entre eux pour former la molécule d'H2, ceci constituant en fait actuellement le modèle des composés homopolaires. - selon le principe de PAULI (W.WEITZEL, Loc.cité plus haut), les deux électrons d'hélium dans leur état de base (tous deux dans la couche "K") doivent avoir un spin antiparallèle. A l'état métastable, un électron se déplace de la couche "K" vers la couche "L", puis acquiert un spin qui est en parallèle avec celui de l'autre électron, lequel est resté dans la couche "K". Tant que les deux spins sont parallelesrla situa tion demeure inchangée (transfert interdit). I1 s'agit là de faits bien connus. Le problème qui se pose en fait est de savoir comment maintenir cet alignement parallèle de deux électrons, c'est-à-dire comment obtenir que l'un d'eux reste dans la couche "L". L'on pensait en 1958 (W.PESCHKA, "proceedings o5 the IXe International Astronautical Congress", Amsterdam, 1958, p.l37) que l'alignement parallèle de spins électroniques pouvait être obtenu au moyen d'un champ magnétique externc et dans des conditions de basse température,de façon à réduire dans toute la mesure du possible toute tendance à des troubles thermiques.Depuis cette époque, des recherches théoriquer; et expérimentales étendues et approfondies ont été menées sur l'hydrogène atomique et deux faits ont pu être établi à partir des résultats obtenus, à savoir (a) ce type d'hydrogène peut être maintenu stable pendant des heures à des densités variant entre 1016 et 1017 atomes cm3 (champ magnétique : - 5 Tesla ; température -o, e 10K) (b) l'alignement parallèle des deux spins électroniques est possible au moyen d'un champ magnétique. Toutefois, l'application pratique de ces résultats ne semble pas envisageable dans un avenir prévisible. -En ce qui concerne l'hélium métastable, les Inventeurs n'ont pas connaissance de l'existence d'une recherche effectuée dans ce domaine jusqu'à ce jour. Il y a cependant lieu de souligner en même tenus que l'hydrogène atomique et l'hélium métastable se comportent chimiquement de la même manière que des métaux alcalins car ces derniers contiennent également seulement un électro dans la couche extérieure. En fait, c'est ce phénomène (conr.u comme l'état "de base" de spins électroniques qui sont alignés en parallèle) qui offre une possibilité de stockage d'étergie. La présente invention a en conséquence pour but de pourvoir à un propergol comprenant de l'hélium métastable, dans lequel on est parvenu à faire en sorte que les deux électrons soient en alignement parallèle, l'un d'eux se trouvant dans la couche "K" et l'autre dans la couche "L" de l'atome d'hélium métastable, l'hélium métastable proposé comme propergol conformément à l'invention étant stabilisé, ce qui permet son utilisation pour la propulsion de lanceurs et de missiles et l'obtention d'une vitesse d'éjection et, par suite, d'une poussée plus élevées que ne le permet l'hydrogène. Ce but de l'invention est atteint en capturant l'électron dans la couche "L" grâce à la formation d'un composé chimique relativement stable, éventuellement sous forme de solution solide. Toutefois, la "capture" de l'électron entraîne une petite perte d'énergie et elle nécessite que l'hélium métastable soit associé à une autre substance, qui est consi dérée comme un ballast ; néanmoins, le taux d'énergie réactionnelle (101,2 k.cal/g) est tel qu'en dépit de la perte d'énergie et de la présence d'une matiere de ballast, l'énergie totale par unité de masse demeure relativement élevée. Comme mentionné dans le préambule, l'hélium métastable se comporte de façon analogue aux métaux alcalins, ce qui devrait avoir pour conséquence qu'on devrait pouvoir former des composés similaires. I1 faut cependant que les conditions suivantes soient remplies . l'électron "L" doit être fixé et aucun autre électron à spin antiparallele ne doit s'approcher de l'atome d'hélium métastable sous peine de provoquer une recombinaison ; or, on ne peut pas considérer le composé HeH (hélium métastable + hydrogène atomique) comme étant stable, attendu que, comme dans le cas du LiH, les deux électrons extérieurs mettraient l'atome He + H en orbite, alors que l'un d'eux a un spin parallèle et que l'autre a un spin antiparal lèle (homopolaire) ; l'électron à spin antiparallèle tomberait dans la couche "K". La substance qui permet de conférer à l'hélium métastable la stabilité requise et de respecter les conditions précitées, est l'ammoniac NH3 sur lequel est fixé l'hélium. Comme on le sait, comme l'ammoniac contient des concentrations élevées de métaux alcalins, il formera des solutions à la température de l'azote liquide. Des mesures électrolytiques ont, en outre, montré que les ions alcalins sont des cations (positifs) et que les ions NH3 sont des anions (négatifs). Ceci signifie que l'électron alcalin extérieur est fixé par le NH3. L'énergie de liaison de l'électron à NH3 est également connue : elle est de l'ordre de = 1,4 eV en fonction de la concentration en métaux alcalins. I1 s'ensuit que l'on obtient, conformément à l'invention, un propergol hautement énergétique, caractérisé en ce qu'il est constitué par un complexe formé par l'hélium métastable fixé sur de l'ammoniac, dans lequel l'électron de l'hélium métastable est "capturé" par le NH3. La diminution d'énergie résultant Je cette complexation est la suivante Energie réactionnelle, hélium métastable 19,3 eV Energie de liaison de l'électron capturé 1,4 eV Masse totale g/mole 17 + 4 = 21 g Energie par molécule 17,9 eV = 412 k.cal Energie par g 19,6 k. cal/g Des concentrations plus élevées peuvent méme capturer des paires d'électrons. La présente invention a également pour objet un procédé de production du nouveau complexe d'hélium métastable-NH3 utilisable en tant que propergol, caractérisé par la combinaison des étapes suivantes : - excitation de l'hélium, pour créer de l'hélium métastable ; - dépôt d'hélium métastable sur du NH3 pour former le complexe ; - et accumulation ou condensation du produit. Selon un mode de réalisation avantageux de ce procédé, l'excitation de l'hélium pour former de l'hélium métastable est réalisée par effet Corona ou rayonnement haute-fréquence. L'application de l'effet Corona ou du rayonnement émis par un générateur haute fréquence ( de l'hélium, provoque l'excitation simultanée de nombreux atomes à différents niveaux, mais en raison de l'émission spontanée, leur durée de vie est très courte (transfert interdit) comparativement à celle de l'hélium métastable ; il est possible d'obtenir sans dif ficulté une concentration de 60 % d'hélium métastable dans le tube de décharge (la présence d'hélium normal ne gènant pas le processus de formation d'hélium métastable). Selon un autre mode de réalisation avantageux du procédé de production du nouveau complexe He-NH3, la réaction de complexation de l'hélium métastable avec le NH3 est réalisée en phase gazeuse, en présence d'hélium gazeux normal, qui refroidit l'hélium métastable et le NH3, diminue l'accumulation de NH3 et favorise la collision des trois composés, sans réagir avec le complexe He-NH3 métastable formé, ni se congeler avec ce dernier. Dans de telles conditions, comme le NH3 forme des solutions métalliques à la température de liquéfaction de l'azote, il faut pour capturer l'électron, peu ou pas d'énergie d'activation ; c'est ainsi que dans la phase gazeuse, l'hélium métastable qui est introduit réagira conjointement avec son électron de la couche "L", avec le NH3, pour donner le complexe recherché. Le milieu hélium gazeux normal mis en oeuvre pour réaliser la complexation est un gaz noble à pression de vapeur élevée,en sorte qu'il ne peut ni réagir, ni congeler avec le complexe He-NH3 métastable formé. Conformément à l'invention, pour augmenter la proba bilité de réaction de l'hélium métastable avec le NH3, on maintient une concentration élevée en hélium métastable dans le volume réactionnel. Egalement conformement a l'invention, le rendement de formation du complexe He-NH3 peut être augmenté par application de champs magnétiques appropries, aux constituants de la réaction. En effet, l'hélium métastable peut avoir les nombres quantiques de spins suivants (couche "L") total n = 1 ; (; = 0 ; m = 0) 1/2 n = 2 ; (t = 0 ; m = 0) 1/2 (t- = 1 ; m = 1) 1 1/2 ( = 1 ; m = -1) -1/2 Les spins des électrons (des couches "K" et "L") doivent être en parallèle, ctest-à-dire, dans le cas présent, tous deux de + 1/2 (le nombre quantique magnétique dans la couche "K" : m = 0). La configuration la plus stable de l'hélium métastable dans un champ magnétique fort est, bien entendu, celle dont l'énergie est la plus faible1 c'est-à-dire en nombres quantiques de spins (n = 2, t = 1) ; m = 1 ; s = +1/2 ou celle dont le moment magnétique est le plus grand. Par suite, l'échange de spin et de "m" est peu probable. De ce fait, la force efficace induite par le gradient d'un champ magnétique non-homogène est également la force la plus puissante et permet de séparer l'hélium métastable de l'hélium métastable présentant d'autres nombres quantiques, au moyen d'un contre-courant gazeux d'hélium normal. En d'autres termes, la pénétration de ce contrecourant par l'hélium métastable dont la force est la plus puissante, sera favorisée tandis que l'hélium excité dont les nombres quantiques sont différents, sera entraîné par ce courant. Si l'on considère que la molécule de NH3 est un dipôle électrique (de-e = 22), un contrôle supplémentaire du courant de NH3 est possible, exercé de la même manière que le contrôle exercé sur l'hélium métastable dans le champ magnétique. En outre, il est possible d'obtenir un condensat aligné électriquement, de NH3 dont le pale positif fait face à la phase gazeuse, de telle manière que de l'hélium métastable en collision se formera également sur la surface de condensation du complexe He NH m 3 Selon encore un autre mode de réalisation avantageux du procédé de production du nouveau complexe HemNH3, la condensation de ce dernier a lieu à une température voisine de la température de liquéfaction de l'hélium, de manière que le NH3 qui ne s'est pas complexé avec l'hélium métastable, condense également et devienne ainsi un poids mort. Pour la production du complexe HemNH3 utilisable en tant que propergol, on procède comme suit 1. Formation d'hélium métastable par excitation d'hélium On utilise dans ce but un générateur haute fréquence ou un tube à décharge à effet Corona, qui agit sur un courant d'hélium normal pour exciter les atomes d'hélium, afin de former des atomes d'hélium métastable. 2. Formation du complexe HemNH3 : Un courant d'hélium métastable formé au cours de la première étape du procédé est admis dans une enceinte réactionnelle dans laquelle circule du NH3 gazeux, pour réagir avec ce dernier ; la réaction de complexation a lieu en phase gazeuse, dans un courant d'hélium gazeux normal qui a pour rôle de refroidir les deux réactifs, hélium métastable et NH3, de réduire l'accumulation du NH3 et de favoriser la collision des réactifs gazeux en phase qazeuse. Pour favoriser et accélérer la formation du complexe HemNH3 conforme à l'invention, il est avantaqeux de soumettre les réactifs, à savoir l'hélium métastable et le NH3 à un champ magnétique présentant l'énergie la plus faible possible ou le moment magnétique le plus grand, comme indiqué plus haut, et de faire circuler l'hélium gazeux normal à contre-courant de l'hélium métastable, et éventuellement du NH3. La condensation des réactifs pour former le complexe HemNH3 recherché est réalisée de préférence à une température voisine de la température de liquéfaction de l'hélium, en présence d'une concentration élevée d'hélium métastable, égale ou supérieure 60 % en volume. Le complexe obtenu est avantageusement sous forme de solution solide. I1 présente les caractéristiques (E g et Is) indiquées plus haut et constitue un propergol hautement énergétique utilisable dans le domaine spatial. REVENDICATIONS 1. Nouveau complexe chimique caractérisé en ce qu'il est constitué par de l'hélium métastable fixé sur de l'ammo- niac et en ce que l'électron de l'hélium métastable est capturé par l'ammoniac pour etre maintenu dans la couche "L" de l'atome d'hélium métastable. 2. Complexe HemNH3 selon la Revendication 1, carac térisé en ce qu'il se trouve sous forme de solution solide. 3. Procédé de production du complexe HemNH3 selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - excitation de l'hélium pour créer de l'hélium métastable ; - dépôt d'hélium métastable sur du NH3 pour former le complexe ; - et accumulation ou condensation du produit. 4. Procédé selon la Revendication 3, caractérisé en ce que l'excitation de l'hélium pour former de l'hélium métastable est réalisée par effet Corona ou rayonnement haute fréquence. 5. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la réaction de complexation de l'hélium métastable avec le NH3 est réalisée en phase gazeuse, en présence d'hélium gazeux normal, qui refroidit l'hélium métastable et le NH3, diminue l'accumulation de NH3 et favorise la collision des trois composé s, sans réagir avec le complexe helium-NH3 métastable formé, ni se congeler avec ce dernier. 6. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'une concentration élevée en hélium métastable, égale ou supérieure à 60 %, est maintenue dans l'enceinte de réaction, pour favoriser le rendement réactionnel de l'hélium métastable avec le NH3. 7. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'on augmente le rendement de for mation du complexe HemNH3 par application de champs magnétiques appropriés aux constituants de la réaction de complexation. 8. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le courant d'hélium gazeux normal circule à contre-courant du courant d'hélium métastable gazeux et éventuellement du courant de NH3 gazeux. 9. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la condensation du complexe HemNH3 a lieu à une température voisine de la température de liquéfaction de l'hélium, de manière que le NH3 qui ne s'est pas complexé avec l'hélium métastable, condense également et devienne ainsi un poids mort. 10. Application du complexe He Nil selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, en tant que propergol, en particulier dans le domaine de la technologie spatiale.