Химики разработали высокоэнергетическое топливо для будущих космических миссий
Коллектив химиков из Университета Олбани (Нью-Йорк, США) разработал новое соединение для ракетного топлива, которое выделяет на 150% больше энергии по сравнению с алюминием, используемым в традиционных топливах, при том же объеме. Основой нового соединения является бор, а его структурная нестабильность позволяет накапливать энергию на каждой молекулярной связи и высвобождать ее при воспламенении. Это открытие может привести к значительной экономии пространства для полезной нагрузки в космических миссиях.
Несмотря на постоянный прогресс в технологиях двигателей, проблема хранения топлива на протяжении десятилетий остается ключевым ограничивающим фактором для космических полетов. Топливо занимает огромный объем и составляет значительную часть общей массы ракеты. Это ограничение сокращает количество полезного груза, который можно доставить, и, как следствие, достижимое расстояние.
Разработка более эффективных видов топлива позволила бы высвободить ценное пространство для снаряжения, критически важного для миссий. Именно в этом направлении и работала команда исследователей. Как пояснил доцент кафедры химии Майкл Йенг, на борту ракеты каждый сантиметр должен быть использован эффективно, а каждый компонент должен быть максимально легким. Создание более эффективного топлива позволило бы уменьшить пространство, необходимое для его хранения, освободив место для оборудования, в том числе научных приборов, а в некоторых миссиях — и для увеличения объема образцов, которые можно вернуть на Землю.
Топлива на основе бора интенсивно изучаются в последние десятилетия из-за их более высокой энтальпии сгорания по сравнению с жидкими углеводородами. Это объясняется высоким потенциалом горения в сочетании с низкой массой бора. Кроме того, бор обладает высокой объемной плотностью энергии, что делает его идеальным кандидатом для топлива ракетных двигателей. Предыдущие работы были сосредоточены на попытках сочетания бора с металлами в надежде на их участие в процессе горения.
Особое внимание привлек диборид марганца (MnB2) из-за его нетипичных свойств, которые могут сделать его высокоэнергетическим соединением. Как отмечает соавтор исследования, доцент кафедры химии Алан Чен, среди химиков существует консенсус, что соединения на основе бора должны демонстрировать необычные свойства, заставляющие их вести себя иначе, чем все другие известные соединения. Однако долгое время исследования были невозможны из-за проблем с синтезом этого материала.
Потенциал диборида марганца скрыт в его структуре. Компьютерное моделирование, проведенное командой, показало, что два атома бора и один атом марганца образуют компактную структуру, похожую на сжатую спиральную пружину. Эта деформация позволяет накапливать энергию, которая затем высвобождается в реакциях горения. Неидеальная симметрия структуры косвенно указывает на количество энергии, запасенной в соединении.
Для синтеза MnB2 исследователям пришлось использовать экстремальные температуры в устройстве под названием «дуговой плавитель». Порошки марганца и бора были спрессованы в таблетку, которая затем помещалась в усиленную камеру и подвергалась воздействию электрического тока при температуре около 3000 °C. После плавления полученный материал быстро охлаждали, чтобы зафиксировать его структуру.
Полученное соединение выделяет на 20% больше энергии, чем алюминий, при одинаковой массе и на 150% больше энергии при одинаковом объеме. Несмотря на высокую плотность энергии, обращаться с соединением безопасно, поскольку оно воспламеняется только при контакте с источником огня, таким как керосин.
Помимо ракетного топлива, свойства нового материала открывают перспективы для создания более долговечных автомобильных каталитических нейтрализаторов, а также его можно использовать в качестве катализатора при разложении пластиков.
Исследование опубликовано в .