Дослідники-хіміки з університету Олбані (США) розробили нову високоенергетичну сполуку — діборид марганцю (MnB2), яка потенційно здатна суттєво підвищити ефективність ракетного палива та змінити підхід до створення ракетних двигунів.
Про це розповідає ProIT
Інноваційні властивості нового ракетного палива
Діборид марганцю при займання виділяє значно більше енергії на одиницю маси й об’єму порівняно з традиційними видами палива, зокрема алюмінієм, що використовується у твердопаливних прискорювачах. Це дає змогу зменшити кількість необхідного палива, вивільнивши простір для корисного навантаження, обладнання та наукових приладів. За словами одного з авторів дослідження Майкла Єнга, це відкриває нові перспективи для дослідницьких місій та транспортування зразків.
“У ракетних кораблях простір має вирішальне значення. Кожен сантиметр повинен бути ефективно запакований, і все на борту має бути максимально легким. Створення більш ефективного палива з використанням нового складу дозволить скоротити обсяг його зберігання, звільнивши місце для обладнання, включаючи прилади, що використовуються для досліджень. На зворотному шляху це може означати, що більше місця буде доступно для доставки зразків”, — пояснює один з авторів дослідження Майкл Єнг.
Завдяки унікальній структурі MnB2, цей матеріал має на понад 20% більшу щільність енергії за масою та приблизно на 150% — за об’ємом порівняно з алюмінієм. При цьому сполука залишається дуже стабільною й реагує лише під дією джерела займання, наприклад, гасу. За результатами лабораторних досліджень, діборид марганцю також може підсилювати роботу автомобільних каталітичних нейтралізаторів і виступати каталізатором у процесах розкладу пластику.
Технологія синтезу та комп’ютерне моделювання
Синтез дібориду марганцю можливий лише за екстремально високих температур, що досягаються в дугових плавильних печах. Для отримання сполуки марганець і бор подрібнюють, пресують у таблетку, поміщають у скляну камеру й піддають дії вузького електричного струму, який доводить матеріал майже до 3000°C. Швидке охолодження дає змогу зберегти щільну структуру, де атоми марганцю формують зв’язки з більшою кількістю атомів, ніж зазвичай.
Вивчення структури MnB2 стало можливим завдяки комп’ютерному моделюванню, яке виконали Грегорі Джон та Алан Чен. Вони створили цифрові моделі для візуалізації молекулярної будови сполуки, що допомогло виявити специфічну деформацію атомів, відповідальну за високу потенційну енергію матеріалу.
“Дібориди вперше привернули увагу у 1960-х роках. З того часу, як з’явилися ці перші дослідження, нові технології дозволяють нам фактично синтезувати хімічні сполуки, існування яких колись передбачалося лише як гіпотеза. Знаючи, що нам відомо про елементи періодичної таблиці, ми припускали, що діборид марганцю буде структурно асиметричним і нестабільним — чинники, які разом роблять його високоенергетичним, — але донедавна ми не могли перевірити його, оскільки його неможливо було отримати. Успішний синтез чистого дібориду марганцю — саме по собі видатне досягнення. І тепер ми можемо перевірити його експериментально та знайти нові способи його застосування“, — зазначає співавтор дослідження Джозеф Доан.
Молекулярна модель дібориду марганцю, як пояснив Грегорі Джон, нагадує сендвіч із морозивом: зовнішні шари утворені ґраткою з шестикутників, які дещо викривлені. Саме ця «деформація» і є джерелом додаткової енергії, що зберігається в речовині. Вимірювання ступеня цієї деформації допомагає визначити, скільки енергії накопичено в матеріалі.
Результати дослідження опубліковані у журналі ACS, що свідчить про важливість відкриття для майбутнього розвитку ракетобудування, промислової хімії та екологічних технологій.