Químicos da Universidade de Albany criaram um novo composto de alta energia que pode revolucionar o combustível de foguetes e tornar os voos espaciais mais eficientes. Ao ser acionado, o composto libera mais energia em relação ao seu peso e volume em comparação com os combustíveis atuais. Em um foguete, isso significaria menos combustível necessário para alimentar a mesma duração de voo ou carga e mais espaço para suprimentos críticos da missão. O estudo foi publicado na Journal of the American Chemical Society.
“Nos foguetes, o espaço é precioso,” disse o Professor Assistente de Química Michael Yeung, cujo laboratório liderou o trabalho. “Cada centímetro deve ser aproveitado de forma eficiente, e tudo a bordo precisa ser o mais leve possível. Criar um combustível mais eficiente usando nosso novo composto significaria que menos espaço seria necessário para o armazenamento de combustível, liberando espaço para equipamentos, incluindo instrumentos usados para pesquisa. Na viagem de volta, isso poderia significar mais espaço disponível para trazer amostras para casa.”
O composto recém-sintetizado, diboreto de manganês (MnB2), é mais de 20% mais energético por peso e cerca de 150% mais energético por volume em comparação ao alumínio atualmente utilizado em propulsores de foguetes sólidos. Apesar de ser altamente energético, também é muito seguro e só entra em combustão quando encontra um agente de ignição como o querosene.
A estrutura à base de boro também é versátil; pesquisas relacionadas no laboratório de Yeung demonstraram seu potencial para ajudar a construir conversores catalíticos mais duráveis para carros e servir como catalisador para a decomposição de plásticos.
É Preciso Calor Para Criar Calor
O diboreto de manganês pertence a uma classe de compostos químicos que se acredita possuírem propriedades incomuns, no entanto, explorar exatamente quais são essas propriedades foi limitado pela incapacidade de realmente produzir o composto.
“Os diboretos começaram a chamar a atenção na década de 1960,” disse o estudante de doutorado da UAlbany, Joseph Doane, que trabalha com Yeung. “Desde essas primeiras olhadas, novas tecnologias estão permitindo que realmente sintetizemos compostos químicos que antes só eram hipotetizados.”
“Sabendo o que fazemos sobre os elementos na tabela periódica, suspeitamos que o diboreto de manganês seria estruturalmente assimétrico e instável – fatores que juntos o tornariam altamente energético – mas até recentemente, não podíamos testá-lo porque não podia ser feito. Sintetizar com sucesso o diboreto de manganês puro é uma conquista empolgante por si só. E agora, podemos testá-lo experimentalmente e descobrir novas maneiras de utilizá-lo.”
Para sintetizar o diboreto de manganês, é necessário um calor extremo gerado por meio de uma ferramenta chamada “fundidor de arco”. O primeiro passo envolve pressionar os pós de manganês e boro juntos em uma pílula, que é colocada em uma pequena câmara de vidro reforçada. O fundidor de arco dirige uma corrente elétrica estreita sobre a pílula, aquecendo-a a escaldantes 3.000°C (mais de 5.000°F). O material fundido é então resfriado rapidamente para travar a estrutura no lugar. Em nível atômico, esse processo força um átomo central de manganês a se ligar a muitos outros átomos, criando uma estrutura excessivamente lotada, compactada como uma mola comprimida.
3…2…1… Deformação!
Ao explorar novos compostos químicos, ser capaz de produzir fisicamente o composto é fundamental. Você também precisa ser capaz de definir sua estrutura molecular, para entender melhor por que ele se comporta da maneira que se comporta.
O estudante de doutorado da UAlbany, Gregory John, que trabalha com o químico computacional Alan Chen, construiu modelos computacionais para visualizar a estrutura molecular do diboreto de manganês. Esses modelos revelaram algo crítico: uma leve inclinação, conhecida como “deformação”, que confere ao composto seu alto potencial energético.
“Nosso modelo do composto de diboreto de manganês se parece com a seção transversal de um sanduíche de sorvete, onde os biscoitos externos são feitos de uma estrutura de rede composta de hexágonos interligados,” disse John. “Quando você olha de perto, pode ver que os hexágonos não são perfeitamente simétricos; eles estão todos um pouco inclinados. Isso é o que chamamos de ‘deformação’. Ao medir o grau de deformação, podemos usar essa medida como uma referência para determinar a quantidade de energia armazenada no material. Essa inclinação é onde a energia é armazenada.”
Outra maneira de imaginar isso.
“Imagine um trampolim plano; não há energia quando ele está plano,” disse Yeung. “Se eu colocar um peso gigantesco no centro do trampolim, ele irá esticar. Esse estiramento representa energia armazenada pelo trampolim, que será liberada quando o objeto for removido. Quando nosso composto se acende, é como remover o peso do trampolim e a energia é liberada.”
N novos Materiais Precisam de Novos Compostos
“Há um consenso entre os químicos de que compostos à base de boro devem ter propriedades incomuns que os fazem se comportar de maneira diferente de quaisquer outros compostos existentes,” disse o Professor Associado de Química Alan Chen. “Há uma busca contínua para descobrir quais são essas propriedades e comportamentos. Esse tipo de busca está no coração da química de materiais, onde criar materiais mais duros, mais fortes e mais extremos requer a forja de novos produtos químicos. Isso é o que o laboratório de Yeung está fazendo – com descobertas que podem melhorar o combustível de foguetes, conversores catalíticos e até mesmo processos de reciclagem de plásticos.”
“Este estudo é também um grande exemplo do processo científico, onde pesquisadores perseguem propriedades químicas interessantes mesmo quando não estão certos de quais aplicações específicas possam surgir. Às vezes, como neste caso, os resultados são fortuitos.”
O interesse de Yeung em compostos de boro começou quando ele era estudante de pós-graduação na Universidade da Califórnia, Los Angeles. Seu projeto tinha como objetivo descobrir compostos mais duros que o diamante.
“Eu me lembro distintamente da primeira vez que fiz um composto relacionado ao diboreto de manganês,” disse Yeung. “Lá estava eu, segurando esse novo material que supostamente deveria ser super duro. Em vez disso, ele começou a esquentar e mudou para uma cor laranja bonita. Eu pensei: ‘Por que é laranja? Por que está brilhando? Não deveria estar brilhando!’ Foi então que percebi quão energéticos os compostos de boro podem ser. Coloquei um pino nele para explorar no futuro, e é exatamente isso que estamos trabalhando agora.”
