PROPELENTES SOLIDOS: OBTENCION DE HTPB EN ARGENTINA

Por Marcelo R. Cimino

Un propelente sólido (llamado también propulsante sólido) es un combustible que tiene apariencia compacta y que al  quemar sobre su superficie expuesta, produce una transformación de energía química en energía térmica y esta a su vez, en energía cinética; tal es así que, al pasar los gases calientes por una tobera, resulta la generación del empuje necesario para propulsar un vector. Este se encuentra compuesto por el combustible, el oxidante y aditivos, que en pequeñas cantidades mejoran las propiedades mecánicas y de combustión del propelente.

Es posible considerar que la pólvora negra es el precursor de los propelentes sólidos modernos. Compuesta por ingredientes naturales (azufre, carbón y salitre), la pólvora negra se ha utilizado desde el siglo XIII en Asia, siendo este, el primer dispositivo de propulsión del que se tiene registro en la antigüedad. Sin embargo el auge de este tipo de combustibles se dio a comienzos de la segunda guerra mundial, principalmente con su utilización en aplicaciones militares.

En 1940 los investigadores estadounidenses, comenzaron a trabajar con propelentes sólidos “moldeables”. En esa época se desarrolló el Bitumen (Brea) como combustible y aglutinante, con perclorato de potasio como oxidante. Posteriormente, alrededor de 1950, los polímeros sintéticos reemplazaron al Bitumen. Con el transcurso del tiempo, apareció el primer aglutinante líquido; este permitía altas relaciones entre oxidante y carga de combustible, potenciando el desarrollo de los propelentes heterogéneos.

Hasta los ’60, la mayoría de los propelentes sólidos, se elaboraban con polisulfuro (“thiokol”) y con poliéter poliuretano, logrando estabilidad del material e incrementos en los limites referidos a temperatura de almacenamiento. En 1965, aparece un nuevo aglutinante con base en un Polibutadieno funcional. Estos nuevos polímeros, presentaron un desempeño mucho mejor que el de los aglutinantes basados en elastómeros, ya que ofrecían cargas de sólidos más altas y operaban en un alto rango de temperaturas. A partir de allí, los eventos más significativos en la historia de los propelentes sólidos, están vinculados a la búsqueda de aglutinantes de alto desempeño y no de nuevos oxidantes.

PROPELENTES SÓLIDOS

Los propelentes sólidos se dividen en: HOMOGÉNEOS (DOBLE BASE); donde el combustible y el oxidante están contenidos en una misma molécula, la misma se descompone durante la combustión, es decir, que se crean enlaces entre el oxidante y el combustible conformando una estructura química única. Y los de tipo HETEROGÉNEOS (COMPOSITE); en esta clase de propelentes, el oxidante y el combustible son mezclados físicamente entre si, sin enlaces químicos. La mezcla generalmente consta de cristales de oxidante y un combustible en polvo (usualmente aluminio), que se mantienen unidos en una matriz de un caucho sintético que funciona como aglutinante, tal como el polibutadieno (HTPB-hydroxyl-terminated polybutadiene – en español: polibutadieno hidroxiterminal).

OBTENCION DE HTPB Y SU MONOMERO 1,3-BUTADIENO EN ARGENTINA

En el año 2012, tras una convocatoria del Programa de Investigación y Desarrollo para la Defensa (PIDDEF: 43/12), el Centro de Investigaciones Aplicadas (CIA), dependiente de la Dirección General de Investigación y Desarrollo (DIGID) de la Fuerza Aérea Argentina, junto al Centro Regional Universitario Córdoba IUA – UNDEF; unieron esfuerzos, en lograr la obtención de polibutadieno hidroxi terminal (HTPB), como insumo esencial para la formulación de propulsantes sólidos.

El objetivo principal del emprendimiento, no perseguía la generación de nuevos conocimientos en el campo de la polimerización del butadieno, sino desarrollar procesos que permitieran lograr el polimero (resina aglutinante), a partir de materias primas disponibles en el país, así poder garantizar el abastecimiento en el área de Defensa, más la consiguiente autonomía tecnológica, y eventualmente, para atender los requerimientos de la actividad socio económica Nacional.

Dado que, el polibutadieno hidroxiterminal (HTPB) utilizado como combustible es considerado material sensible, por ende, de muy difícil adquisición en el mercado internacional, puesto que en su elaboración hay materias primas consideradas recursos críticos y otras de carácter estratégico, se pensó en lograr el autoabastecimiento de los componentes esenciales, con vistas a desarrollar una tecnología adecuada, que permitiera en un futuro cercano, producir a escala industrial.

Tal es así que, como paso primario en la elaboración de una estrategia y planificación, se hizo necesario definir la ruta adecuada, tratando de utilizar materiales que sean de producción nacional o sin restricciones para su adquisición en el extranjero.

El HTPB para la elaboración de propulsantes sólidos, requiere ciertas características en sus parámetros físicos y químicos (peso molecular, viscosidad, pureza, índice de oxhidrilos, etc.) específicas diferentes y de carácter restrictiva en su calidad, de los utilizados en la industria del plástico, razón esta que lo encuadra como material estratégico y absolutamente limitada su adquisición en el mercado internacional. En este sentido, se hizo necesario definir la ruta adecuada en la elaboración de una estrategia y planificación, tratando de utilizar materiales que fueran de producción nacional, o sin restricciones de adquisición en el extranjero; el proceso seleccionado apuntó a la utilización de precursores, solventes e insumos de fácil adquisición en el mercado local, para la obtención de un monómero de 1,3-butadieno como materia prima básica, en la fabricación final del polímero.

Mayormente, la fuente principal de producción de 1,3-butadieno, es la industria petroquímica asociada al gas de petróleo, mediante la catálisis heterogénea usando un sinnúmero de posibles catalizadores, los cuales inducen la deshidrogenación de butileno y butano. El 1.3-butadieno es un insumo de la industria del caucho, utilizado en la fabricación de neumáticos, que alguna vez se fabricó en Argentina, por una empresa privada de Rosario-Santa Fe; la misma quebró en los ’90 y nunca más, hubo otro emprendimiento de esta clase en el país.

No obstante, para la obtención de 1,3-butadieno, otro camino es la utilización de alcohol etílico como materia prima, el cual se produce en el país. Además cumplimenta el interés global, tendiente a independizarse del petróleo como fuente finita de materia prima y por otro, el auge de la “química verde”*, como prioridad para amortiguar el impacto ambiental. En resumen, el camino seleccionado por los investigadores argentinos, para obtener 1,3-butadieno, fue la reacción de alcohol etílico en un sistema dinámico, con catálisis heterogénea a temperaturas entre 300-500 °C y presión normal.(1)

Para la polimerización se diseño un reactor que permitió trabajar a temperaturas superiores a los 150°c, con presiones de hasta 27 bar y con sistema de agitación propio, obteniéndose rendimientos altamente razonables. El estado conseguido permitió afirmar que se superó la propuesta inicial, logrando no solo el desarrollo tecnológico, sino el diseño y fabricación de un equipamiento a escala piloto, que permitiera seguir incursionando en nuevas mejoras y una mayor optimización del sistema.

Como en todo emprendimiento I&D, fue necesario la formación de recursos humanos en  campos específicos, algunos de los cuales, hoy en día, son cuadros permanentes de la FAA.. En tanto, la polimerización requirió el diseño, desarrollo y fabricación de equipos que contemplaran las características de presión y temperatura adecuadas, con un dispositivo de agitación apropiado.

Completado el PIDDEF: 43/12 por el equipo de trabajo, el desarrollo del proyecto alcanzó los objetivos originalmente propuestos en ambas etapas (1,3- butadieno y su polimerización). Respecto al desarrollo tecnológico: se alcanzaron metas que superaron las planteadas originalmente en escala laboratorio y  se llevaron a escala piloto. Se logró el objetivo planteado como hipótesis de trabajo a partir de la última etapa, con rendimientos altamente satisfactorios, que luego se incrementaron. Tal como fue propuesto al inicio del proyecto, se alcanzó el dominio de una tecnología adecuada para la obtención de 1,3-butadieno, en buen rendimiento, utilizando catalizadores e insumos de origen nacional accesibles y de bajo costo.

Conclusión

Más allá de la llave tecnológica y el cariz estratégico del emprendimiento I&D expuesto en estas líneas; la producción de propelentes sólidos es una fuente de ingreso de alto valor agregado. Aunque no sea muy conocido, en paralelo a este programa, el Estado Nacional se encontraba construyendo una planta industrial, orientada a estos fines, dentro de la planta de Fabricaciones Militares en Villa María – Córdoba. La misma se construyó hasta un 65% de avance y se comenzó a equipar, mientras que se enviaban profesionales a capacitarse específicamente; en IMI (Israel), Lachossé (Bélgica) y Roxel (Francia), con vistas a satisfacer las necesidades propias, como las de la región; tanto en cohetería como en remotorización de misiles. Sin embargo, en 2016 se abandonó el proyecto completamente, dejando incluso materiales pagados en manos de sus proveedores.

Tal vez sea tiempo de reconsiderar y reconstruir.

Desde este humilde espacio, queremos expresar nuestro mayor homenaje a la memoria del recientemente desaparecido Dr. en Química Jorge Daniel Pérez.

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(1) Para la obtención de 1,3-butadieno, de acuerdo a los antecedentes científicos-tecnológicos y a las estrategias sintéticas ensayadas a escala laboratorio, se plantearon tres caminos posibles: 1. Condensación aldólica, 2. Condensación aldólica cruzada  3. Catálisis heterogénea a partir de Etanol.

*PROTOCOLO DE KIOTO SOBRE EL CAMBIO CLIMATICO: acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones de seis gases que causan el calentamiento global: dióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), además de tres gases industriales fluorados: hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6)

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