Développement de catalyseurs Pt/Al2O3 pour la décomposition catalytique du peroxyde d’hydrogène hautement concentré : application à la combustion biergol

Dans le domaine de la propulsion spatiale, des préoccupations environnementales croissantes sur la nature toxique des ergols conventionnels (carburants et comburants spatiaux), tels que l'hydrazine, ont concentré la recherche sur des ergols stockables plus verts, tels que le peroxyde d'hydrogène. Les solutions aqueuses très concentrées de peroxyde d'hydrogène, allant de 70 % à 99 %, sont communément appelées « High-Test Peroxide » (HTP). L’HTP peut être utilisé en tant qu’oxydant (comburant) dans un propulseur biergol anaérobie tel que ceux équipant dans les étages supérieurs de lanceurs : à l’état liquide, il apporte l’oxygène nécessaire à la combustion d’un carburant assistée par une torche d'allumage. Une variété d’applications de l’HTP dans la propulsion spatiale utilise par ailleurs la capacité du peroxyde d'hydrogène à se décomposer spontanément, en vapeur d'eau et en oxygène moléculaire, dans une réaction hautement exothermique. Dans des propulseurs plutôt conçus pour des manoeuvres orbitales, la poussée est générée par l'expansion de ces gaz, alors décomposés catalytiquement. La réaction catalytique de décomposition du peroxyde d’hydrogène peut être également mise à profit pour permettre l’auto-inflammation d’un carburant dans un propulseur biergol. Dans ce cas, aucune source externe n’est nécessaire pour garantir l’allumage. Dans des applications utilisant sa décomposition catalytique, une concentration massique du peroxyde d'hydrogène plus élevée s’accompagne d’une augmentation de la température des gaz de décomposition. Un gain en température permet une augmentation des performances d’un propulseur monergol, et contribue à réduire le délai d'auto-inflammation du carburant et une combustion plus efficace en propulsion biergol. Dans de tels systèmes, le lit catalytique est le point critique : soumettre un catalyseur à des températures élevées peut entraîner une perte d’activité catalytique et un endommagement physique prématuré du catalyseur. Une telle utilisation impose alors au catalyseur de présenter une résistance thermomécanique et une activité catalytique élevée, ainsi que le maintien de ses propriétés physicochimiques. Une première partie de cette thèse est ainsi consacrée à une étude du traitement thermique et de la taille de catalyseur à base de platine déposé sur des billes d’alumine. Cette étude est réalisée dans le but d’obtenir un catalyseur fiable et efficace, permettant une décomposition répétable et complète du peroxyde d'hydrogène injecté au cours de sa durée de vie. L’assurance d’une décomposition catalytique performante, complète et répétable sans endommagement du lit catalytique a ensuite permis l’étude de l’allumage catalytique pour démontrer la capacité des différents systèmes catalytiques à allumer un fuel sans ajout de système d’allumage complexe supplémentaire. L'influence de paramètres tels que la géométrie et les vitesses d’injections sur le processus d'atomisation, puis sur l'allumage, et les instabilités et la performance de combustion ont été étudiée.