El peróxido de hidrógeno de alta concentración ( HTP ) es una solución de peróxido de hidrógeno de alta concentración (85 a 98 %) , en la que el resto se compone principalmente de agua. En contacto con un catalizador, se descompone en una mezcla de vapor y oxígeno a alta temperatura, sin agua líquida restante. Se utilizó como propulsor de cohetes y torpedos HTP, y se ha utilizado para motores Vernier de alto rendimiento .
El peróxido de hidrógeno funciona mejor como propulsor en concentraciones extremadamente altas (aproximadamente por encima del 70%). Aunque cualquier concentración de peróxido generará algo de gas caliente (oxígeno más algo de vapor), en concentraciones superiores al 67% aproximadamente, el calor de descomposición del peróxido de hidrógeno se vuelve lo suficientemente grande como para vaporizar por completo todo el líquido a presión estándar. Esto representa un punto de inflexión en la seguridad y la utilización, ya que la descomposición de cualquier concentración por encima de esta cantidad es capaz de transformar el líquido por completo en gas calentado (cuanto mayor sea la concentración, más caliente será el gas resultante). Esta mezcla de vapor y oxígeno muy caliente se puede utilizar entonces para generar el máximo empuje, potencia o trabajo, pero también hace que la descomposición explosiva del material sea mucho más peligrosa.
Por lo tanto, las concentraciones normales de grado propulsor varían entre el 70 y el 98%, con grados comunes de 70, 85, 90 y 98%. [1]
El cambio de volumen del peróxido debido a la congelación varía con el porcentaje. Las concentraciones más bajas de peróxido (45 % o menos) se expandirán cuando se congelen, mientras que las concentraciones más altas (65 % o más) se contraerán. [2] : 4–39
El peróxido de hidrógeno se vuelve más estable cuanto mayor es su contenido. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno al 98 % es más estable que el peróxido de hidrógeno al 70 %. El agua actúa como contaminante y cuanto mayor es la concentración de agua, menos estable es el peróxido. La capacidad de almacenamiento del peróxido depende de la relación superficie-volumen de los materiales con los que está en contacto el fluido. Para aumentar la capacidad de almacenamiento, se debe minimizar la relación. [3]
Cuando se utiliza con un catalizador adecuado, el HTP se puede utilizar como monopropelente , [4] o con un combustible separado como bipropelente . [5]
El HTP se ha utilizado de forma segura y con éxito en muchas aplicaciones, comenzando con el uso alemán durante la Segunda Guerra Mundial y continúa hasta el día de hoy. [6] Durante la Segunda Guerra Mundial, el peróxido de alto contenido en azufre se utilizó como oxidante en algunos diseños de cohetes bipropulsantes alemanes , como el motor de cohete Walter HWK 509A que impulsó el caza interceptor de defensa puntual Messerschmitt Me 163 a finales de la Segunda Guerra Mundial, que comprendía el 80% de la mezcla estandarizada T-Stoff , y también en el submarino alemán Tipo XVII .
Algunos programas estadounidenses importantes incluyen los propulsores de control de reacción del programa X-15 y el Bell Rocket Belt , que el vehículo de investigación de aterrizaje lunar de la NASA utilizó como propulsor de cohetes para simular un módulo de aterrizaje lunar.
La Marina Real experimentó con HTP como oxidante en los submarinos experimentales de entrenamiento y objetivos de alta velocidad Explorer y Excalibur entre 1958 y 1969.
El primer torpedo HTP ruso fue conocido con el nombre estrictamente funcional de 53-57 , haciendo referencia el 53 al diámetro en centímetros del tubo del torpedo, el 57 al año en que fue introducido. Impulsados por la competencia de la Guerra Fría , ordenaron el desarrollo de un torpedo HTP más grande, para ser disparado desde los tubos de 65 centímetros (26 pulgadas). El HTP en uno de estos torpedos Tipo 65 el 12 de agosto de 2000 explotó a bordo y hundió el submarino K-141 Kursk .
Los experimentos británicos con HTP como combustible para torpedos se interrumpieron después de que un incendio de peróxido provocara la pérdida del submarino HMS Sidon (P259) en 1956.
La experimentación británica con HTP continuó en la investigación en cohetería y finalizó con los vehículos de lanzamiento Black Arrow en 1971. Los cohetes Black Arrow lanzaron con éxito el satélite Prospero X-3 desde Woomera, en el sur de Australia , utilizando HTP y combustible de queroseno .
El misil británico Blue Steel, instalado en los bombarderos Vulcan y Victor en los años 60, fue fabricado por AVRO. Utilizaba una concentración de HTP del 85%. Para encender el cohete Stentor de dos cámaras, el HTP pasaba por una pantalla catalizadora. A continuación, se inyectaba queroseno en las dos cámaras para producir 20.000 y 5.000 libras (9.100 y 2.300 kilogramos) de empuje cada una. La cámara más grande se utilizaba para ascender y acelerar, mientras que la cámara pequeña se utilizaba para mantener la velocidad de crucero. El misil tenía un alcance de 100 millas náuticas cuando se lanzaba a gran altitud y de unas 50 millas náuticas cuando se lanzaba a baja altura (500 a 1.000 pies (150 a 300 metros)). Su velocidad era de aproximadamente Mach 2.0. Después de un lanzamiento a gran altitud, ascendía a entre 70.000 y 80.000 pies (21.000 a 24.000 metros). Desde un lanzamiento a baja altura, ascendería a sólo 40.000 pies (12.000 metros), pero su velocidad seguiría rondando Mach 2,0.
Con una concentración del 82%, todavía se utiliza en el cohete ruso Soyuz para impulsar las turbobombas de los propulsores y del vehículo orbital .
El vehículo propulsado por cohete Blue Flame logró el récord mundial de velocidad terrestre de 622,407 millas por hora (1.001,667 km/h) el 23 de octubre de 1970, utilizando una combinación de peróxido de alto contenido en azufre y gas natural licuado (GNL), presurizado con gas helio.
El peróxido de hidrógeno de grado propulsor se utiliza en los sistemas militares actuales y se encuentra en numerosos programas de investigación y desarrollo de defensa y aeroespacial. Muchas empresas de cohetes financiadas con fondos privados están utilizando peróxido de hidrógeno, como Blue Origin y la extinta Armadillo Aerospace ; y algunos grupos de aficionados han expresado su interés en fabricar su propio peróxido, tanto para su uso como para venderlo en pequeñas cantidades a otros. El HTP se utiliza en los cohetes suborbitales ILR-33 AMBER [7] y Nucleus [8] .
Se planeó utilizar HTP en un intento de batir el récord de velocidad terrestre con el coche Bloodhound SSC , con el objetivo de alcanzar más de 1.600 km/h. El HTP habría sido el oxidante del cohete de combustible híbrido, reaccionando con el combustible sólido polibutadieno con terminales hidroxilo . El proyecto se estancó debido a la pandemia de Covid-19 y la falta de financiación.
Los proveedores disponibles de peróxido de hidrógeno de grado propulsor de alta concentración son, en general, una de las grandes empresas comerciales que fabrican otros grados de peróxido de hidrógeno, incluidas Solvay Interox , PeroxyChem (anteriormente FMC Global Peroxygens, una división de FMC Corporation ), [9] y Evonik . XL Space Systems actualiza el peróxido de hidrógeno de grado técnico a HTP. [10] Otras empresas que han fabricado peróxido de hidrógeno de grado propulsor en el pasado reciente incluyen Air Liquide y DuPont . DuPont vendió recientemente su negocio de fabricación de peróxido de hidrógeno a Evonik. El HTP de alta concentración lo ofrece la Red de Investigación Łukasiewicz - Instituto de Aviación , con concentraciones de hasta el 99,99%, [11] y Jakusz SpaceTech, con concentraciones del 85-98%. [12]
WEPA-Technologies puede suministrar tanto HTP como plantas totalmente automáticas capaces de producir HTP las 24 horas del día, los 7 días de la semana, en un rango de concentración de entre el 90 y el 99,5 %. Las plantas utilizan una metodología de instalación en contenedores y pueden instalarse en cualquier parte del mundo (capacidad: 25 – 1500 kg/día). [13]
El peróxido de hidrógeno de grado propulsor está disponible para compradores calificados. En circunstancias típicas, este producto químico se vende solo a empresas o instituciones gubernamentales que tienen la capacidad de manipular y utilizar adecuadamente el material. Los no profesionales han comprado peróxido de hidrógeno de concentración del 70% o inferior (el 30% restante es agua con trazas de impurezas y materiales estabilizadores, como sales de estaño, fosfatos, nitratos y otros aditivos químicos) y han aumentado su concentración ellos mismos. La destilación es extremadamente peligrosa con peróxido de hidrógeno; el vapor de peróxido no puede encenderse, pero el oxígeno liberado puede encender cualquier material con el que esté en contacto; la detonación es posible dependiendo de combinaciones específicas de temperatura y presión; la detonación es el resultado de la rápida evaporación reactiva del líquido que resulta en alta temperatura y presión que resulta en una ruptura violenta del recipiente que lo contiene. En general, cualquier masa hirviendo de peróxido de hidrógeno de alta concentración a presión ambiente producirá peróxido de hidrógeno en fase de vapor, que puede detonar. Este riesgo se mitiga, pero no se elimina, con la destilación al vacío. Otros métodos para concentrar el peróxido de hidrógeno son la burbujeación y la cristalización fraccionada .
El peróxido de hidrógeno en concentraciones de al menos el 35% aparece en la lista de sustancias químicas de interés del Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos. [14]
Dado que muchas sustancias comunes catalizan la descomposición exotérmica del peróxido en vapor y oxígeno, la manipulación del HTP requiere un cuidado y un equipo especiales. Cabe señalar que los materiales comunes hierro y cobre son incompatibles con el peróxido, pero la reacción puede demorarse segundos o minutos, según el grado de peróxido utilizado.
Los pequeños derrames de peróxido de hidrógeno se pueden solucionar fácilmente inundando la zona con agua. Esto no solo enfría el peróxido que reacciona, sino que también lo diluye por completo. Por lo tanto, los lugares donde se manipula peróxido de hidrógeno suelen estar equipados con duchas de emergencia y cuentan con mangueras y personal de guardia.
El contacto con la piel provoca un blanqueamiento inmediato debido a la producción de oxígeno debajo de la piel. Pueden producirse quemaduras graves a menos que se eliminen en segundos. El contacto con los ojos puede provocar ceguera, por lo que se suele utilizar protección ocular.
El desastre del submarino Kursk involucró la liberación accidental de HTP en un torpedo que reaccionó con el combustible del torpedo.