Химики из Университета Олбани сообщили о синтезе нового высокоэнергетического соединения — диборида марганца (MnB₂), которое может сделать ракетное топливо легче и эффективнее. По их измерениям, MnB₂ выделяет на 20 % больше энергии на единицу массы и примерно на 150 % больше — на единицу объема, по сравнению с алюминием*, который сейчас используют в качестве металлического топлива в твердотопливных ускорителях. Материал стабилен в хранении и сгорает только при контакте с зажигательным агентом (например, керосином), что потенциально повышает безопасность и позволяет уменьшить массу топлива или увеличить полезную нагрузку для миссии.
*В твердом ракетном топливе алюминий — это мелкий порошок, смешанный с окислителем (обычно аммоний перхлорат) и полимерным клеем-связующим (HTPB или PBAN). Такое топливо называют композитным (APCP): окислитель дает кислород, связующее тоже сгорает как горючее, а частицы алюминия плавятся и сгорают в пламени, образуя оксид алюминия (Al₂O₃) и выделяя много тепла. Готовую смесь помещают в корпус двигателя и поджигают запалом. Таким образом, алюминий в топливе — это технологически управляемая металлизация твердого пропеллента для получения более энергоплотных и компактных ускорителей.
Команда получила соединение с помощью дугового плавления: компакт из порошков марганца и бора нагревали до ~3000°C, после чего быстро охлаждали, замыкая метастабильную структуру. Вычислительное моделирование показало небольшую деформацию гексагональных слоев бора — именно она отвечает за высокую сэкономленную энергию. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society: авторы приводят удельный теплотворный эффект около 39 кДж/г и рекордную объемную теплоту сгорания ~208 кДж/см³, что соответствует приросту ≈26 % по массе и ≈148 % по объему относительно алюминия.
(a) кристаллическая структура MnB₂;
(b) термостойкость MnB₂: при воздействии открытого пламени не наблюдается нежелательного горения без применения зажигательного агента;
(c) порошковая рентгеновская дифракция (pXRD) фазово чистого MnB₂, синтезированного дуговым плавлением. Источник: acs
Более энергоемкое металлическое топливо без усложнения логистики может сократить массу ускорителей или увеличить вес возвращаемых научных инструментов и образцов в миссиях на Луну и Марс. Это также открывает путь к более компактным зондовым платформам для дальних полетов, где каждый литр объема на счету, а повышенная энергоплотность напрямую конвертируется в дополнительный Δv или ресурс для бортовых экспериментов.
Ракеты сжигают больше всего топлива в первые минуты полета — чтобы вырваться из гравитационной ямы. А что, если передать этот стартовый рывок магнитной катапульте и сэкономить тонны топлива, уменьшив стоимость запусков и нагрузку на окружающую среду? В материале «Магнитная катапульта: как сэкономить тонны топлива для запуска ракет в космос» читайте, как работает масс-драйвер, почему Луна может стать идеальным полигоном для таких систем, какие инженерные барьеры еще остаются и что это означает для космической логистики следующего десятилетия.
По материалам acs, albany, interestingengineering
