Хіміки з Університету Олбані повідомили про синтез нового високоенергетичного сполучення — дибориду марганцю (MnB₂), яке може зробити ракетне паливо легшим та ефективнішим. За їхніми вимірюваннями, MnB₂ виділяє на 20 % більше енергії на одиницю маси й приблизно на 150 % більше — на одиницю об’єму, у порівнянні з алюмінієм*, який нині використовують як металеве пальне у твердопаливних прискорювачах. Матеріал стабільний у зберіганні й згоряє лише при контакті з запалювальним агентом (наприклад, гасом), що потенційно підвищує безпеку та дає змогу зменшити масу пального або збільшити корисне навантаження для місії.
*У твердому ракетному паливі алюміній — це дрібний порошок, змішаний з окисником (зазвичай амоній перхлорат) і полімерним клеєм-зв’язувачем (HTPB або PBAN). Таке паливо називають композитним (APCP): окисник дає кисень, зв’язувач теж згорає як пальне, а частинки алюмінію плавляться й згорають у полум’ї, утворюючи оксид алюмінію (Al₂O₃) і виділяючи багато тепла. Готову суміш розміщують у корпус двигуна й підпалюють запалом. Отже, алюміній у паливі — це технологічно керована металізація твердого пропеленту для отримання більш енергощільних і компактних прискорювачів.
Команда отримала сполуку за допомогою дугового плавлення: компакт із порошків марганцю та бору нагрівали до ~3000°C, після чого швидко охолоджували, замикаючи метастабільну структуру. Обчислювальне моделювання показало невелику деформацію гексагональних шарів бору — саме вона відповідає за високу заощаджену енергію. Результати опубліковані в Journal of the American Chemical Society: автори наводять питомий теплотворний ефект близько 39 кДж/г і рекордну об’ємну теплоту згоряння ~208 кДж/см³, що відповідає приросту ≈26 % за масою і ≈148 % за об’ємом відносно алюмінію.
(a) кристалічна структура MnB₂;
(b) термостійкість MnB₂: під час впливу відкритого полум’я не спостерігається небажаного горіння без застосування запалювального агента;
(c) порошкова рентгенівська дифракція (pXRD) фазово чистого MnB₂, синтезованого дуговим плавленням. Джерело: acs
Більш енергоємне металеве пальне без ускладнення логістики може скоротити масу прискорювачів або збільшити вагу наукових інструментів і зразків, що повертаються, у місіях на Місяць і Марс. Це також відкриває шлях до компактніших зондових платформ для далеких польотів, де кожен літр об’єму на рахунку, а підвищена енергощільність напряму конвертується у додатковий Δv або ресурс для бортових експериментів.
Ракети спалюють найбільше пального в перші хвилини польоту — щоб вирватися з гравітаційної ями. А що, як передати цей стартовий ривок магнітній катапульті й зекономити тонни пального, зменшивши вартість запусків і навантаження на довкілля? У матеріалі «Магнітна катапульта: як зекономити тонни палива для запуску ракет у космос» читайте, як працює мас-драйвер, чому Місяць може стати ідеальним полігоном для таких систем, які інженерні бар’єри ще лишаються та що це означає для космічної логістики наступного десятиліття.
За матеріалами acs, albany, interestingengineering
