¿Se pueden usar piroxeno y otros compuestos de silicio como combustible teórico para naves espaciales?

Cuando hablamos de la combustión de elementos en oxígeno puro, por masa total de reactivos, el silicio ocupa el quinto lugar cuando se comparan los estados de oxidación más altos. Visto en orden descendente (Be>Li>B>Al>Si). El berilio es muy tóxico y costoso y tiene una aplicación potencial solo en el espacio, el litio es un elemento muy reactivo con baja densidad. El boro es caro y no se quema por completo, por lo que es difícil utilizar su potencial. El aluminio ya tiene aplicaciones en cohetería, especialmente en propulsores sólidos.

El silicio ofrece un poco menos de energía durante la combustión que el aluminio, pero es tetravalente y puede unir más hidrógeno que el aluminio. Los compuestos de organosilicona (donde pertenece el polisilicio) tienen una fracción más alta de hidrógeno que los compuestos de organoaluminio.

Además, el silicio pertenece al grupo de elementos que pueden arder en nitrógeno. Esta propiedad también la tienen el boro y el litio. Este es un beneficio adicional cuando se usan oxidantes como HNO ₃ , N ₂ O, N ₂ O ₄ y en aplicaciones de scramjet donde el combustible se quema en la atmósfera. Además, existe la opción de quemar silicio en amoníaco (NH ₃ ) e hidracina (N ₂ H ₄ ). Aunque la energía de combustión es menor por unidad de masa, el hidrógeno constituye la mayor parte de los gases de reacción y tiene la masa molar más baja posible. Esto es importante para lograr un ISP alto.

Por lo tanto, no es de extrañar que haya interés en el silicio y sus compuestos en las patentes. Sin embargo, el silicio no ha sido ampliamente utilizado. La gran desventaja es que los gases pirofóricos como el silano (SiH ₄ ), el disilano (Si ₂ H ₆ ) se utilizan para la producción de silicio puro y sus compuestos. Esto eleva el nivel de seguridad necesario en la producción, lo que a su vez significa un precio más alto. Al final, este aumento de precio no se justifica por los beneficios en comparación con el aluminio y es por eso que el aluminio se usa con mucha frecuencia.

En cuanto a la pregunta sobre el nitruro de silicio, sí, la propulsión se logra comprando productos de combustión gaseosos y vapores: H ₂ , H ₂ O, N ₂ , NH ₃ , CH ₄ , etc. dependiendo de la composición del polisilano y el oxidante utilizado. El nitruro de silicio calienta estos gases liberando energía al entorno. Las partículas de nitruro de silicio tienen un impacto negativo y, en general, reducen la ISP. A medida que las partículas crecen, aumenta su impacto negativo en el ISP.

Los piroxenos no pueden usarse como combustibles u oxidantes porque en realidad son mezclas de estados de oxidación más altos de Mg, Ca, Fe, Si, Al. Por ejemplo, un compuesto de piroxeno, el diposido MgCaSi ₂ O ₆ , se puede escribir como MgO ∙ CaO ∙ 2SiO ₂ . Esto significa que los elementos están completamente oxidados y no hay más energía para usar. Por otro lado, el oxígeno está fuertemente ligado a los elementos y no puede usarse para quemar otros materiales. Las excepciones son Be, Li, B debido a sus altas energías de combustión, pero estas mezclas pertenecen a las mezclas de termitas, no a los propulsores debido a que contienen pocos o ningún producto gaseoso.

En teoría, si vaporiza compuestos sólidos de silicio, incluido el nitruro de silicio, obtendrá una pequeña cantidad de impulso de propulsión. Esto sería una especie de propulsión de cohete térmico. Pero esto es altamente ineficiente porque los sólidos tienen altas energías de vaporización (energía requerida para convertir los sólidos en vapor) y tienen grandes masas molares promedio. Una forma mucho más eficiente es utilizar esta energía solar para calentar un medio (metal o cerámica) y hacer pasar gases ligeros, como hidrógeno y helio, a través de agujeros hechos en este medio.

El peso atómico del silicio es 28, frente a 12 del carbono. La energía del enlace silano Si-H es 318, frente a 412 para CH (y 432 para HH).

Entonces, probablemente no para los cohetes, tal vez sí para un "combustible verde" que deja arena en lugar de CO2 como producto de desecho. (los silicatos finos tienen problemas como irritantes pulmonares).

Los metales polivalentes, como el aluminio finamente molido, encuentran uso en combustibles sólidos, ya que su oxidación es muy energética. Sus productos de desecho son óxidos metálicos.