Исследователи-химики из университета Олбани (США) разработали новое высокоэнергетическое соединение — диборид марганца (MnB2), которое потенциально способно существенно повысить эффективность ракетного топлива и изменить подход к созданию ракетных двигателей.
Об этом сообщает ProIT
Инновационные свойства нового ракетного топлива
Диборид марганца при сгорании выделяет значительно больше энергии на единицу массы и объема по сравнению с традиционными видами топлива, в частности с алюминием, который используется в твердотопливных ускорителях. Это позволяет уменьшить количество необходимого топлива, освободив пространство для полезной нагрузки, оборудования и научных приборов. По словам одного из авторов исследования Майкла Енга, это открывает новые перспективы для исследовательских миссий и транспортировки образцов.
“В ракетах пространство имеет решающее значение. Каждый сантиметр должен быть эффективно упакован, и все на борту должно быть максимально легким. Создание более эффективного топлива с использованием нового состава позволит сократить объем его хранения, освободив место для оборудования, включая приборы, используемые для исследований. На обратном пути это может означать, что больше места будет доступно для доставки образцов”, — объясняет один из авторов исследования Майкл Енг.
Благодаря уникальной структуре MnB2, этот материал имеет на более чем 20% большую плотность энергии по массе и примерно на 150% — по объему по сравнению с алюминием. При этом соединение остается очень стабильным и реагирует лишь под действием источника зажигания, например, керосина. По результатам лабораторных исследований, диборид марганца также может усиливать работу автомобильных каталитических нейтрализаторов и выступать катализатором в процессах разложения пластика.
Технология синтеза и компьютерное моделирование
Синтез диборида марганца возможен лишь при экстремально высоких температурах, которые достигаются в дуговых плавильных печах. Для получения соединения марганец и бор измельчают, прессуют в таблетку, помещают в стеклянную камеру и подвергают действию узкого электрического тока, который доводит материал почти до 3000°C. Быстрое охлаждение позволяет сохранить плотную структуру, где атомы марганца формируют связи с большим количеством атомов, чем обычно.
Изучение структуры MnB2 стало возможным благодаря компьютерному моделированию, которое выполнили Грегори Джон и Алан Чен. Они создали цифровые модели для визуализации молекулярной структуры соединения, что помогло выявить специфическую деформацию атомов, ответственную за высокую потенциальную энергию материала.
“Дибориды впервые привлекли внимание в 1960-х годах. С тех пор, как появились эти первые исследования, новые технологии позволяют нам фактически синтезировать химические соединения, существование которых когда-то предполагалось лишь как гипотеза. Зная, что нам известно об элементах периодической таблицы, мы предполагали, что диборид марганца будет структурно асимметричным и нестабильным — факторы, которые вместе делают его высокоэнергетическим, — но до недавнего времени мы не могли проверить его, поскольку его невозможно было получить. Успешный синтез чистого диборида марганца — само по себе выдающееся достижение. И теперь мы можем проверить его экспериментально и найти новые способы его применения“, — отмечает соавтор исследования Джозеф Доан.
Молекулярная модель диборида марганца, как объяснил Грегори Джон, напоминает бутерброд с мороженым: внешние слои образованы решеткой из шестиугольников, которые несколько искривлены. Именно эта «деформация» и является источником дополнительной энергии, которая сохраняется в веществе. Измерение степени этой деформации помогает определить, сколько энергии накоплено в материале.
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS, что свидетельствует о важности открытия для будущего развития ракетостроения, промышленной химии и экологических технологий.