Химики создали новое высокоэнергетическое соединение для ракетного топлива

Аспирант Джозеф Доун готовит дуговой плавильник для синтеза диборида марганца. Автор: Brian Busher

Химики из Университета Олбани разработали новое высокоэнергетическое соединение, которое может произвести революцию в ракетном топливе и сделать космические полеты более эффективными. При воспламенении соединение выделяет больше энергии относительно своего веса и объема по сравнению с современными топливами. В ракете это означало бы меньше топлива для питания при той же продолжительности полета или полезной нагрузке и больше места для критически важных для миссии запасов. Их исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

«В ракетных кораблях пространство в большом дефиците», — сказал доцент кафедры химии Майкл Йенг, чья лаборатория руководила работой. «Каждый дюйм должен быть упакован эффективно, и все на борту должно быть как можно легче. Создание более эффективного топлива с использованием нашего нового соединения означало бы, что для хранения топлива потребуется меньше места, освобождая место для оборудования, включая приборы, используемые для исследований. На обратном пути это могло бы означать больше места для доставки образцов домой».

Вновь синтезированное соединение, диборид марганца (MnB₂), более чем на 20% энергетичнее по весу и примерно на 150% энергетичнее по объему по сравнению с алюминием, который в настоящее время используется в твердотопливных ускорителях. Несмотря на высокую энергетичность, оно также очень безопасно и будет гореть только при встрече с воспламенителем, таким как керосин.

Лежащая в основе боросодержащая структура также универсальна; связанные исследования в лаборатории Йенга продемонстрировали ее потенциал для создания более долговечных каталитических нейтрализаторов для автомобилей и использования в качестве катализатора для разложения пластиков.

Требуется тепло, чтобы создать тепло

Диборид марганца принадлежит к классу химических соединений, которые, как считается, обладают необычными свойствами, однако изучение того, что именно влекут за собой эти свойства, ограничивалось невозможностью фактического получения соединения.

«Дибориды впервые начали привлекать внимание в 1960-х годах», — сказал аспирант UAlbany Джозеф Доун, работающий с Йенгом. «С тех пор новые технологии позволяют нам фактически синтезировать химические соединения, которые когда-то считались лишь гипотетически существующими».

Синтез диборида марганца требует экстремального тепла, генерируемого с помощью инструмента под названием «дуговой плавильник». Первый шаг предполагает прессование порошков марганца и бора вместе в таблетку, которая помещается в небольшую усиленную стеклянную камеру. Дуговой плавильник направляет узкий электрический ток на таблетку, нагревая ее до обжигающих 3000°C. Расплавленный материал затем быстро охлаждается, чтобы зафиксировать структуру на месте.

Слева: Дуговой плавильник лаборатории Йенга, синтезирующий диборид марганца. Справа: Молекулярная модель диборида марганца. Автор: Brian Busher

Новые материалы нуждаются в новых соединениях

«Среди химиков существует консенсус, что боросодержащие соединения должны иметь необычные свойства, которые заставляют их вести себя не так, как любые другие существующие соединения», — сказал адъюнкт-профессор химии Алан Чен.

Интерес Йенга к боросодержащим соединениям начался, когда он был аспирантом в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Его проект был направлен на открытие соединений тверже алмаза.

«Я отчетливо помню первый раз, когда я сделал соединение, родственное дибориду марганца», — сказал Йенг. «Я держал этот новый материал, который должен был быть сверхтвердым. Вместо этого он начал нагреваться и изменился на красивый оранжевый цвет. Я подумал: „Почему он оранжевый? Почему он светится? Он не должен светиться!“ Тогда я понял, насколько энергетичными могут быть боросодержащие соединения. Я отложил это для изучения в будущем, и именно над этим мы работаем сейчас».

Больше информации: Joseph T. Doane et al, Violations of Coordination: Exploring Metastable Diborides via Energetic Transition Metals, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04066

Источник: University at Albany