Ahli kimia membuat senyawa bahan bakar roket generasi berikutnya yang mengemas energi 150% lebih banyak

Ahli kimia Ualbany menciptakan mangan diboride, bahan berenergi tinggi dengan potensi bahan bakar roket dan teknologi baru.

Ahli kimia di universitas di Albany telah mengembangkan senyawa berenergi tinggi yang dapat mengubah bahan bakar roket dan membuat perjalanan ruang lebih efisien. Ketika dinyalakan, senyawa ini menghasilkan lebih banyak energi per unit berat dan volume daripada propelan saat ini.

Untuk roket, ini berarti bahwa lebih sedikit bahan bakar akan diperlukan untuk mencapai durasi misi yang sama atau kapasitas muatan, menyisakan lebih banyak ruang untuk peralatan dan persediaan penting. Penelitian ini diterbitkan di Jurnal American Chemical Society.

“Di kapal roket, ruang sangat premium,” kata Asisten Profesor Kimia Michael Yeung, yang labnya memimpin pekerjaan itu. “Setiap inci harus dikemas secara efisien, dan segala sesuatu yang ada di atas kapal perlu seringan mungkin. Membuat bahan bakar yang lebih efisien menggunakan senyawa baru kami akan berarti lebih sedikit ruang yang diperlukan untuk penyimpanan bahan bakar, membebaskan ruang untuk peralatan, termasuk instrumen yang digunakan untuk penelitian. Pada perjalanan kembali, ini bisa berarti lebih banyak ruang yang tersedia untuk membawa pulang sampel.”

Senyawa, diboride mangan (MNB₂), lebih dari 20% lebih tinggi dalam kepadatan energi berdasarkan berat dan sekitar 150% lebih tinggi berdasarkan volume dibandingkan dengan aluminium, yang saat ini digunakan dalam booster roket padat. Terlepas dari potensinya, ia sangat stabil dan hanya menyala ketika terpapar pada sumber pengapian seperti minyak tanah.

Di luar propulsi roket, struktur MNB2 berbasis boron menunjukkan potensi yang luas. Pekerjaan dari laboratorium Yeung menunjukkan juga dapat memperkuat konverter katalitik di mobil dan bertindak sebagai katalis untuk memecah plastik.

Dibutuhkan panas untuk membuat panas

Diboride Mangan adalah bagian dari sekelompok senyawa kimia yang telah lama diduga memiliki sifat yang tidak biasa, tetapi kemajuan dalam mempelajarinya telah dibatasi oleh tantangan untuk benar -benar menghasilkan materi.

“Diborides pertama kali mulai mendapatkan perhatian pada 1960 -an,” kata siswa PhD Ualbany Joseph Doane, yang bekerja dengan Yeung. “Karena penampilan awal ini, teknologi baru memungkinkan kita untuk benar -benar mensintesis senyawa kimia yang dulunya hanya dihipotesiskan.

Mengetahui apa yang kami lakukan tentang unsur -unsur di atas meja periodik, kami menduga bahwa diborida mangan akan secara struktural asimetris dan tidak stabil – faktor -faktor yang bersama -sama akan membuatnya sangat energik – tetapi sampai saat ini, kami tidak dapat mengujinya karena tidak dapat dilakukan. Sekarang, kami dapat melakukan tes yang dapat diuji dengan itu sendiri.

Memproduksi mangan diboride membutuhkan panas ekstrem, dihasilkan oleh perangkat yang dikenal sebagai “busur melter.” Untuk memulai, bubuk mangan dan boron ditekan ke dalam pelet dan disegel di dalam ruang kaca yang diperkuat. Arus listrik yang sempit kemudian diarahkan pada pelet, memanaskannya hingga hampir 3.000 ° C (lebih dari 5.000 ° F). Zat cair dengan cepat didinginkan untuk melestarikan strukturnya. Pada skala atom, proses ini memaksa mangan pusat atom Untuk mengikat dengan lebih banyak atom dari biasanya, menciptakan pengaturan yang penuh sesak dengan rapat -rapat seperti pegas yang melingkar.

Membuka kunci struktur melalui deformasi

Saat menjelajahi senyawa kimia baru, mampu secara fisik menghasilkan senyawa sangat penting. Anda juga harus dapat mendefinisikan struktur molekulnya untuk lebih memahami mengapa ia berperilaku seperti itu.

Siswa PhD Ualbany Gregory John, yang bekerja dengan ahli kimia komputasi Alan Chen, membangun model komputer untuk memvisualisasikan struktur molekul mangan mangan diiboride. Model -model ini mengungkapkan sesuatu yang kritis: kemiringan halus, yang dikenal sebagai “deformasi,” yang memberikan senyawa energi potensial tinggi.

“Model kami dari senyawa diboride mangan terlihat seperti bagian sandwich es krim, di mana kue-kue luar terbuat dari struktur kisi yang terdiri dari segi enam yang saling terkait,” kata John. “Ketika Anda melihat lebih dekat, Anda dapat melihat bahwa segi enam tidak simetris sempurna; mereka semua sedikit miring. Inilah yang kami sebut ‘deformasi.’ Dengan mengukur tingkat deformasi, kita dapat menggunakan ukuran itu sebagai proxy untuk menentukan jumlah energi yang disimpan dalam material.

Inilah cara lain untuk membayangkannya.

“Bayangkan sebuah trampolin datar; tidak ada energi di sana saat datar,” kata Yeung. “Jika saya menaruh bobot raksasa di tengah trampolin, itu akan meregang. Peregangan itu mewakili energi yang disimpan oleh trampolin, yang akan dilepaskan ketika objek dihilangkan. Ketika senyawa kita menyala, itu seperti menghilangkan bobot dari trampolin dan energi dilepaskan.”

Bahan baru membutuhkan senyawa baru

“Ada konsensus di antara ahli kimia bahwa senyawa berbasis boron harus memiliki sifat tidak biasa yang membuat mereka berperilaku tidak seperti senyawa lain yang ada,” kata Associate Professor of Chemistry Alan Chen. “Ada pencarian yang berkelanjutan untuk mencari tahu apa sifat dan perilaku itu. Pengejaran semacam ini adalah jantung dari bahan kimia, di mana menciptakan bahan yang lebih keras, lebih kuat lebih ekstrem membutuhkan bahan kimia baru. Inilah yang dilakukan oleh Yeung Lab-dengan temuan yang dapat meningkatkan roket, konverter katalitik, dan bahkan proses untuk menerima kembali.

“Penelitian ini juga merupakan contoh yang bagus dari proses ilmiah, di mana para peneliti mengejar sifat kimia yang menarik bahkan ketika mereka tidak yakin aplikasi spesifik apa yang mungkin muncul. Kadang -kadang, termasuk kasus saat ini, hasilnya kebetulan.”

Minat Yeung pada senyawa boron dimulai ketika dia masih mahasiswa pascasarjana di University of California, Los Angeles. Proyeknya bertujuan untuk menemukan senyawa lebih keras dari berlian.

“Saya ingat dengan jelas pertama kali saya membuat senyawa yang terkait dengan mangan diborida,” kata Yeung. “Di sanalah aku, memegang materi baru ini yang seharusnya sangat keras. Sebaliknya, mulai menjadi panas dan diubah menjadi warna oranye yang cukup. Aku pikir, ‘Kenapa oranye? Kenapa bersinar? Seharusnya tidak bersinar!’ Saat itulah saya menyadari betapa senyawa boron yang energik itu.

Referensi: “Pelanggaran Koordinasi: Menjelajahi diborida metastable melalui logam transisi energik” oleh Joseph T. Doane, Gregory M. John, Alma Kolakji, Abraham A. Rosenberg, Yiren Zhang, Alan A. Chen dan Michael T. Yeung, 2 Mei 2025, Jurnal American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs. 5C04066

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.