Chemici vytvářejí směs raketového paliva příští generace, která zabalí o 150% více energie
Chemici z Ualbany vytvořili diborid manganského, vysoce energetický materiál s potenciálem pro raketové palivo a nové technologie.
Chemici na univerzitě v Albany vyvinuli vysoce energetickou složku, která by mohla transformovat raketové palivo a zefektivnit cestování do vesmíru. Při zapálení tato sloučenina produkuje výrazně více energie na jednotku hmotnosti a objemu než současné hnací látky.
U raket to znamená, že k dosažení stejného trvání mise nebo kapacity užitečného zatížení by bylo zapotřebí méně paliva, což ponechává více prostoru pro základní vybavení a zásoby. Výzkum byl publikován v Journal of American Chemical Society.
„V raketových lodích je Space na prémii,“ řekl odborný asistent chemie Michael Yeung, jehož laboratoř vedla práci. „Každý palec musí být zabalen efektivně a vše na palubě musí být co nejlehčí. Vytvoření efektivnějších palivo pomocí naší nové složky by znamenalo méně místa pro skladování paliva, uvolnění prostoru pro vybavení, včetně nástrojů používaných pro výzkum. Při návratové plavbě by to mohlo znamenat, že je k dispozici více prostoru pro vzorky domů.“
Sloučenina, manganový diborid (MNB2), je o více než 20% vyšší v hustotě energie podle hmotnosti a asi o 150% vyšší objemu ve srovnání s hliníkem, který se v současné době používá v pevných posilovačích raket. Navzdory své účinnosti je pozoruhodně stabilní a zapálí pouze tehdy, když je vystaven zdroji zapalování, jako je petrolej.
Kromě raketového pohonu vykazuje struktura MNB2 založená na boru rozsáhlý potenciál. Práce z laboratoře Yeung naznačuje, že by také mohla posílit katalytické převaděče v automobilech a působit jako katalyzátor pro rozkládání plastů.
Vytváření tepla vyžaduje teplo
Diborid manganu je součástí skupiny chemických sloučenin dlouhých podezření na neobvyklé vlastnosti, ale pokrok ve studiu byl omezen výzvou skutečně produkovat materiál.
„Diborides poprvé začal upoutat pozornost v 60. letech,“ řekl student Ualbany PhD Joseph Doane, který pracuje s Yeungem. „Od těchto počátečních vzhledů nám nové technologie umožňují skutečně syntetizovat chemické sloučeniny, které byly kdysi předpokládány pouze k existenci.
„Když jsme věděli, co děláme s prvky na periodické tabulce, měli jsme podezření, že diborid manganu bude strukturálně asymetrický a nestabilní – faktory, které by společně učinily vysoce energický – ale donedávna jsme to nemohli testovat, protože to nelze udělat, aby to bylo možné.
https://www.youtube.com/watch?v=GKQRUVU3US4
Produkce diboridu manganu vyžaduje extrémní teplo, generované zařízením známým jako „oblouk“. Nejprve jsou prášky manganu a borony tlačeny do pelety a utěsněny uvnitř vyztužené skleněné komory. Úzký elektrický proud se poté nasměruje na peletu a zahřívá jej na téměř 3 000 ° C (přes 5 000 ° F). Roztavená látka je rychle ochlazena, aby se zachovala její struktura. V atomovém měřítku tento proces nutí centrální mangan atom Chcete -li se spojit s více atomy než obvykle, vytvoření přeplněného uspořádání pevně stlačeného jako stočená pružina.
Odemknutí struktury deformací
Při zkoumání nových chemických sloučenin je schopnost fyzicky produkovat sloučeninu. Musíte také být schopni definovat svou molekulární strukturu, abyste lépe porozuměli tomu, proč se chová tak, jak to dělá.
Student PhD Ualbany Gregory John, který pracuje s výpočetním chemikem Alanem Chenem, postavil počítačové modely pro vizualizaci molekulární struktury manganského diboridu. Tyto modely odhalily něco kritického: jemné zkosení, známé jako „deformace“, která dává sloučeninu vysoce potenciální energii.
„Náš model sloučeniny diboridu manganu vypadá jako průřez sendviče zmrzliny, kde jsou vnější sušenky vyrobeny z mřížové struktury složené z vzájemně propojených hexagonů,“ řekl John. „Když se podíváte pozorně, vidíte, že hexagony nejsou dokonale symetrické; jsou všichni trochu zkosení. To je to, čemu říkáme“ deformace „. Měřením stupně deformace můžeme toto opatření použít jako proxy k určení množství energie uloženého v materiálu.
Tady je další způsob, jak si to představit.
„Představte si plochou trampolínu; není tam žádná energie, když je plochý,“ řekl Yeung. „Pokud vložím gigantickou hmotnost do středu trampolíny, natáhne se. Tento úsek představuje energii uloženou trampolínou, kterou uvolní, když je objekt odstraněn. Když se naše sloučenina zapálí, je to jako odstranění hmotnosti z trampolínu a energie se uvolní.“
Nové materiály potřebují nové sloučeniny
„Mezi chemiky existuje tento konsenzus, že sloučeniny založené na BORON by měly mít neobvyklé vlastnosti, díky nimž se chovají na rozdíl od jiných stávajících sloučenin,“ řekl docent chemie Alan Chen. „Existuje pokračující snaha zjistit, jaké jsou tyto vlastnosti a chování. Tento druh pronásledování je v srdci materiálové chemie, kde vytváření těžší, silnější extrémnější materiály vyžaduje vytvoření zbrusu nových chemikálií. To je to, co dělá Yeung Lab-s nálezy, které by mohly zlepšit raketové palivo, katalytické přepínače a dokonce i procesy pro receptivní plastiky.“
„Tato studie je také skvělým příkladem vědeckého procesu, kde vědci sledují zajímavé chemické vlastnosti, i když si nejsou jisti, jaké konkrétní aplikace by se mohly objevit. Někdy, v něm je případ zahrnut, jsou výsledky serendipitous.“
Zájem Yeungu o Boronové sloučeniny začal, když byl studentem gradu na University of California v Los Angeles. Jeho projekt se zaměřil na objevování sloučenin těžší než Diamond.
„Zřetelně si pamatuji, když jsem poprvé udělal sloučeninu související s diboridem manganu,“ řekl Yeung. „Tam jsem byl, držel tento nový materiál, který měl být super tvrdý. Místo toho se začalo horké a změněno na pěkně oranžovou barvu. Myslel jsem:“ Proč je oranžová? Proč to září? Nemělo by to být zářící! “ Tehdy jsem si uvědomil, jak mohou být energetické boronové sloučeniny.
Reference: „Porušení koordinace: Zkoumání metastabilních diboridů prostřednictvím energetických přechodných kovů“ Josephem T. Doanem, Gregorym M. John, Alma Kolakji, Abraham A. Rosenberg, Yiren Zhang, Alan A. Chen a Michael T. Yeung, 2. května 2025, Journal of American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs. 5C04066
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
