Ученые создали новое высокоэнергетическое топливо для космических миссий

Химики из Университета Олбани разработали новое высокоэнергетическое соединение, способное совершить прорыв в ракетостроении и повысить эффективность космических полетов. При воспламенении это соединение высвобождает больше энергии на единицу массы и объема по сравнению с современными видами топлива. Использование такого топлива в ракетах позволит уменьшить объем топливных баков, освободив место для научного оборудования или образцов, собранных во время миссий. Исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society).

«В ракетах каждый сантиметр на счету, — говорит доцент кафедры химии Майкл Ён, руководивший проектом. — Топливо должно быть компактным и легким. Наше соединение делает топливные системы более эффективными, что позволит увеличить полезную нагрузку. Например, на обратном пути с Марса можно будет взять больше образцов грунта».

Новый материал — диборид марганца (MnB₂) — превосходит алюминий, используемый в твердотопливных ускорителях, на 20% по энергоемкости на массу и на 150% по объему. При этом он безопасен: реакция горения начинается только при контакте с катализатором, таким как керосин.

Боровая основа соединения многофункциональна. Лаборатория Ёнга также исследует его применение в создании износостойких каталитических нейтрализаторов для автомобилей и переработке пластиковых отходов.

От гипотезы к реальности

Диборид марганца относится к классу соединений, чьи свойства десятилетиями оставались загадкой из-за сложности синтеза. «В 1960-х годах дибориды привлекали внимание теоретиков, но без современных технологий их нельзя было получить», — объясняет аспирант Джозеф Доун. — Синтез чистого MnB₂ — уже прорыв. Теперь мы исследуем его свойства и ищем способы применения».

Для синтеза ученые используют дуговую плавильную установку. Порошки марганца и бора прессуют в таблетку, которую нагревают до 3000°C мощным электрическим разрядом. После мгновенного охлаждения образуется кристаллическая структура, где атом марганца окружен избытком соседей, создавая напряжение, подобное сжатой пружине.

Асимметрия — источник энергии

Компьютерное моделирование, проведенное аспирантом Грегори Джоном, выявило ключевую особенность MnB₂ — деформацию кристаллической решетки. «Гексагональные ячейки структуры слегка искривлены, — говорит Джон. — Эта асимметрия аккумулирует энергию, которая высвобождается при воспламенении».

«Представьте батут, — приводит аналогию Ёнг. — Если положить груз в центр, ткань растягивается, накапливая энергию. Воспламенение — это момент, когда груз убирают, и энергия высвобождается».

Будущее материаловедения

«Соединения на основе бора — terra incognita для науки, — говорит профессор Алан Чен. — Их изучение открывает путь к новым материалам с экстремальными свойствами. Иногда такие исследования приводят к неожиданным открытиям, как в случае с MnB₂».

Интерес Ёнга к бору зародился еще в Калифорнийском университете, где он пытался создать материал тверже алмаза. «Помню, как впервые синтезировал боросодержащее соединение, — вспоминает ученый. — Оно внезапно начало светиться оранжевым. Тогда я понял: в боре скрыта огромная энергия».

Перспективы и сотрудничество

Уже ведутся переговоры с аэрокосмическими компаниями о тестировании MnB₂ в реальных двигателях. Параллельно команда изучает его применение в экологии — например, для утилизации микропластика в океанах. «Бор может стать ключом к „зеленой“ химии», — добавляет Ёнг.