Aluminum hydrolysis for hydrogen production and space propulsion applications

In this work, the potentialities of the aluminum hydrolysis reaction are investigated. The reaction between aluminum and water produces hydrogen, aluminum hydroxides and heat. However, the reaction is hindered by the aluminum oxide layer that naturally forms on the particles. To destroy this layer, aluminum powder is activated through ball milling, with NaCl and Bi as additives and then compressed in tablets. Tablets are used to per- form experiments on the effects of temperature and pressure on the reaction yield and rate. The experimental setup built for the tests is described in detail. XRD, SEM and EDS analyses are performed on the pure and activated powders, on the tablets and on the byproducts of the reaction. The second part of the thesis presents a propulsive application in which the Al-water reaction is involved. The greenest and most efficient micro-propulsion units currently available use water as propellant, which is evaporated and expanded in a nozzle. From this consideration comes the idea of using the reaction heat to evaporate water, which is consequently expanded. The concept of an Al-water thruster is evaluated and imple- mented. Tests are performed and pressure and thrust data are collected. The results are finally compared with current technologies to evaluate the feasibility of such a system.

In questa tesi le potenzialità della reazione di idrolisi dell’alluminio sono investigate. La reazione tra alluminio e acqua produce idrogeno, idrossido di alluminio e calore. Tuttavia, la reazione è ostacolata dalla presenza di uno strato di ossido di alluminio, che si forma spontaneamente sulle particelle. La polvere di alluminio è quindi attivata macinandola aggiungendo NaCl e Bi come additivi e poi pressata in pastiglie. Le pastiglie sono poi utilizzate per condurre degli esperimenti volti a identificare gli effetti di pressione e tem- peratura sulla resa e sulla velocità di reazione. L’apparato sperimentale usato per gli esperimenti è quindi descritto in dettaglio. Analsi XRD, SEM e EDS sulle polveri iniziali e attivate, sulle pastiglie e sui prodotti di reazione sono disponibili. Nella seconda parte della tesi è presentata un’applicazione propulsiva, in cui la reazione Al-acqua è coinvolta. Al momento, i sistemi di micropropulsione più green ed efficienti impiegano l’acqua come propellente, che è poi evaporata ed espansa attraverso un ugello. L’idea di un motore azionato tramite la reazione Al-acqua è quindi valutata e implemen- tata. Dei test sono stati condotti e misure di pressione e spinta raccolte. I risultati sono infine comparati con le tecnologie disponibili al momento per valutare la fattibilità di tale sistema.