Synthesis and Fabrication of Nanothermite Fuel for Space Propulsion

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The space industry is experiencing an exponential increase in the use of small satellites. Along with reduced launch costs, compact satellites provide unique value for discovery, patrolling, and commercial missions. The development of novel small satellite propulsion technology is central to a continued growth of this industry and is being supported by significant global investments. To support this growth, this project will develop and commercialize innovative synthesis and fuel pellet fabrication technologies to facilitate a novel in-space propulsion technology based on tunable and high-power-density metastable intermolecular composites (MIC, also called nanothermite). The proposed methodology addresses four research components: (1) optimizing material synthesis of core-shell and hybrid nanothermite composites; (2) developing a standard for 3D printing process for nanothermite-based fuel pellets; (3) experimental investigation of correlations between reaction mechanisms/energy production and compositions/microstructures of both synthesized composites and packed pellets; and (4) developing a mathematical model, with appropriate accuracy, to capture the identified physics (combustion mechanism, flame propagation, thrust production, etc.) from representative 3D printed specimens. The research outcomes, through technology development and HQP training, are expected to enable manufacturing of novel propulsion systems for small satellites. This technology will enable orbital maneuvering, navigation, stabilization, stationing and pointing. This project will further help the penetration of Canadian companies in the target space market which requires original research developing high-energy-release composites, cost-effective material synthesis methods, and advanced device fabrication technologies.#(cr)#(lf)L'industrie spatiale connaît une croissance exponentielle dans le domaine des microsatellites. Grâce a une réduction massive des coûts de lancement et de développement, les microsatellites offrent un avantage indéniable pour les missions de découverte, de patrouille, et commerciales. Le développent d'un système de propulsion miniaturisé pour microsatellite demeure un des enjeux majeurs dans cette industrie. Pour soutenir cette industrie en croissance, ce projet de recherche se penchera sur le développement et la commercialisation de technologies innovantes pour la synthèse et la fabrication de matériel énergétique. Ce projet aura pour but de permettre à Columbiad Launch Services de développer une nouvelle technologie de propulsion basée sur des composites intermoléculaires métastables réglables (MIC, aussi connu comme nanothermite). La projet de recherche abordera quatre thèmes principaux: (1) l'optimisation de la synthèse de matériaux composites en noyau-coquille (core-shell, en anglais); (2) l'élaboration d'une méthodologie pour l'impression 3D de granules combustibles fait de nanothermite; (3) l'étude expérimentale de corrélations entre les mécanismes de réaction et la composition/microstructure des composites synthétisés; et (4) le développement un modèle mathématique, pour modéliser la physique de réaction de nanothermite (mécanisme de combustion, propagation de flamme, production de l'énergie, etc.) des échantillons imprimé. Le projet de recherche permettra le développement de nouvelles technologies et contribuera à la formation de PHQ dans le domaine de la technologie spatiale. Les retombés technologique du projet permettra à notre partenaire industriel de fabriquer un système de propulsion pour microsatellite. Ce projet permettra une plus grande pénétration de l'industrie spatiale des entreprises canadiennes. Ceci nécessite des recherches originales développant des composites énergétiques, des méthodes de synthèse de matériaux rentables et des technologies avancées de fabrication.