В рамках инициативы, которая может привести к запуску космических аппаратов без использования углерода, ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде проводят эксперименты с бораном аммиака (NH₃BH₃) в качестве замены традиционному химическому ракетному топливу на основе углерода.
Борановое топливо первоначально было разработано для самолетов типа XB-79 " Valkyrie". NASA
Помимо повседневного использования в глазных каплях и стиральном порошке, бор имеет интересную историю в аэрокосмической области.
В 1950-х годах ВВС и ВМС США искали способы создания более быстрых и дальнемагистральных самолетов. Одним из главных препятствий на пути к этому было топливо.
В идеале лучшим топливом был бы водород, но даже охлажденный в криогенную жидкость он занимает слишком много места, с ним крайне сложно и опасно работать, и он сопряжен со всевозможными логистическими проблемами. Традиционное авиационное топливо на основе углеводородов, получаемых из ископаемых источников, намного практичнее, поскольку водород в нем связан с атомами углерода, что делает его гораздо более компактным и пригодным для использования.
К сожалению, такие виды топлива, как керосин, все занимают слишком много места и недостаточно энергоемки для построения дальнемагистральных сверхзвуковых самолетов. Чтобы решить эту проблему, инженеры решили создать новое топливо, которое использовало бы другой элемент для хранения водорода, но при этом было бы достаточно дешевым и простым в работе.
В результате было создано новое семейство видов топлива на основе бора, который расположен рядом с углеродом в периодической таблице химических элементов. Разработка этих гидро-борных соединений, или боранов, проводилась под кодовым названием "Проект Zip", поэтому их прозвали "топливом-молнией".
На первых порах новые виды топлива выглядели очень многообещающе, вырабатывая почти в два раза больше тепловой энергии, чем обычные источники энергии. Такие самолеты, как стратегический бомбардировщик XB-70 Valkyrie, дальний перехватчик XF-108 Rapier, ракета BOMARC были рассчитаны на их использование. Кроме того, для работы на боранах планировалось модернизировать уже используемые реактивные двигатели.
Но борановое топливо имело серьезные проблемы. В связи с тем, что новый вид топлива при комнатной температуре находился в твердом состоянии, его приходилось смешивать с топливом на основе углеводородов. Хуже того, они образовывали липкие отходы, которые накапливались в двигателях и удалялись с большим трудом. В результате проекты были отменены в 1959 году.
Сегодня боран-аммиачный комплекс используется в топливных элементах для питания электромобилей, где водород выделяется с помощью катализаторов.
Сейчас команда из Калифорнийского университета в Риверсайде под руководством Притвиша Бисваса ищет пути использования боранов для питания ракет, способных выводить спутники на орбиту.
Ключом к этому является лучшее понимание того, как бораны горят и как заставить их делать это эффективно, без необходимости в базовом топливе или катализаторах, что может обеспечить более экологичную альтернативу топливу на основе углеводородов и, возможно, снизить стоимость космических запусков.
В отличие от углеводородов, бораны имеют сложный процесс горения, так как при сгорании распадаются на ряд различных соединений. Формируя боран в наночастицы и сжигая его с окислителями - перхлоратом калия (KClO₄) или перхлоратом аммония (NH₄ClO₄), можно изменить процесс горения и высвободить больший объем энергии в более короткие сроки.
Поскольку мелкие частицы, использованные в исследовании, имеют тенденцию к разрушению во влажной среде, следующим шагом будет поиск способа нанесения на них защитного покрытия для длительного хранения.
"Мы определили фундаментальную химию, которая обеспечивает работу этого сочетания топлива и окислителя", - говорит Бисвас. "Теперь мы с большим нетерпением ждем результатов его применения в крупных проектах".
Аммиачный боран (NH3BH3, AB) представляет собой перспективный энергоемкий материал для хранения водорода и силовых установок, однако механизмы высвобождения энергии при его окислении твердотельными окислителями изучены недостаточно хорошо. В данном исследовании с помощью масс-спектрометрии с временным пролетом in situ, а также с помощью инфракрасной спектроскопии с ослабленным полным отражением и Фурье-преобразованием и расчетов по теории функционала плотности учёные исследуют фундаментальные реакционные механизмы, участвующие в высвобождении энергии из твердого AB при окислении различными химическими окислителями. Результаты показывают, что реакция АВ с такими окислителями, как KClO4, опосредуется образованием [NH3BH2NH3]+[BH4]- (DADB), что приводит к его кинетическому захвату в низкоэнергетические кластеры BNHx, которые устойчивы к дальнейшему окислению, тем самым ограничивая полное извлечение энергии. В отличие от этого, при использовании окислителя на основе аммония, такого как NH4ClO4, присутствие ионов NH4+ позволяет AB следовать альтернативному пути реакции с образованием [NH3BH2NH3]+[ClO4]-, а не DADB, что препятствует образованию видов BNHx и способствует их полному окислению. Этот альтернативный путь реакции приводит к тому, что система AB/NH4ClO4 демонстрирует значительно более высокие скорости высвобождения энергии, чем AB/KClO4 (∼27x) и стандартное топливо Al/NH4ClO4 (∼7x).
Исследование было опубликовано в журнале "Journal of Physical Chemistry C".
Источники: Калифорнийский университет, Риверсайд
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.1c08985
https://news.ucr.edu/articles/2022/02/23/streets-stratosphere-clean-driving-technology-enables-cleaner-rocket-fuel
