Ученые из Университета Олбани, расположенного в штате Нью-Йорк (США), создали принципиально новое соединение для ракетного топлива. Оно способно высвобождать на 150% больше энергии, чем алюминий, который обычно используется в традиционных составах, при одинаковом объеме. В основе разработки лежит бор, а его внутренняя структурная неустойчивость позволяет накапливать энергию в каждой молекулярной связи и высвобождать ее в процессе горения. Данное достижение может обеспечить существенное увеличение объема для полезной нагрузки в космических полетах.
Прогресс в разработке двигателей, хоть и непрерывен, не решил проблему хранения топлива, которая на протяжении многих лет является серьезным препятствием для освоения космоса. Топливо занимает большой объем и существенно увеличивает массу ракеты. Это препятствие уменьшает массу полезной нагрузки и, соответственно, ограничивает дальность полета.
Разработка более эффективных видов топлива позволила бы освободить полезное пространство для размещения необходимого оборудования, что крайне важно для выполнения миссий. Именно в этом направлении работала команда исследователей. По словам доцента кафедры химии Майкла Йенга, на борту ракеты каждый сантиметр должен использоваться максимально эффективно, а каждый компонент должен быть как можно легче. Более эффективное топливо позволило бы сократить объем, требуемый для его хранения, что высвободило бы место для оборудования, включая научные приборы, а в ряде миссий – для увеличения количества образцов, возвращаемых на Землю.
В последние десятилетия активно ведутся исследования топлив на основе бора, поскольку они характеризуются более высокой энтальпией сгорания по сравнению с жидкими углеводородами. Это обусловлено высоким потенциалом горения и относительно небольшим весом бора. Также бор обладает высокой объемной плотностью энергии, что делает его перспективным топливом для ракетных двигателей. Ранее исследования были направлены на попытки комбинирования бора с металлами с целью их вовлечения в процесс горения.
Диборид марганца (MnB2) привлек значительный интерес благодаря своим необычным характеристикам, которые позволяют рассматривать его как перспективное высокоэнергетическое соединение. По словам Алана Чена, соавтора исследования и доцента кафедры химии, среди специалистов в области химии существует общее мнение о том, что соединения, содержащие бор, должны обладать нестандартными свойствами, отличающими их от поведения других известных соединений. Однако проведение исследований на протяжении долгого времени было затруднено из-за сложностей, возникающих при синтезе этого материала.
Скрытый потенциал диборида марганца заключен в его кристаллической структуре. Исследования, выполненные с помощью компьютерного моделирования, показали, что два атома бора и один атом марганца формируют плотную структуру, напоминающую сжатую спираль. Такая деформация позволяет накапливать энергию, которая впоследствии высвобождается в процессе горения. Отсутствие идеальной симметрии в структуре, по всей видимости, связано с количеством энергии, запасенной в соединении.
Для получения MnB2 ученым потребовалось использовать условия, близкие к экстремальным, в оборудовании, известном как «дуговой плавитель». Порошки марганца и бора сформировали в таблетку, которую затем поместили в усиленную камеру и подвергли воздействию электрического тока при температуре, достигающей примерно 3000 °C. После плавления полученный материал подвергли быстрой закалке для стабилизации его структуры.
Новое соединение обеспечивает на 20% большую энергетическую отдаваемость по сравнению с алюминием, если сравнивать при одинаковой массе, и на 150% больше – при одинаковом объеме. При этом, несмотря на высокую плотность энергии, соединение является безопасным в обращении, так как воспламеняется только при воздействии открытого источника огня, например, керосина.
Новый материал, обладая уникальными характеристиками, позволяет не только создавать более эффективное ракетное топливо, но и разрабатывать более долговечные автомобильные каталитические нейтрализаторы, а также применять его в качестве катализатора при разложении пластиковых отходов.
Исследование опубликовано в .