Químicos da Universidade de Albany criaram um novo composto de alta energia que pode revolucionar o combustível para 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 útil e mais espaço para suprimentos críticos da missão. O estudo foi publicado no 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 do 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 com o alumínio atualmente utilizado em propulsores sólidos de foguetes. Apesar de ser altamente energético, também é muito seguro e só irá combustionar quando entrar em contato com um agente de ignição, como o querosene.
A estrutura baseada em 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 gerar calor
O diboreto de manganês pertence a uma classe de compostos químicos considerados ter propriedades incomuns, no entanto, explorar quais exatamente essas propriedades envolvem foi limitado pela incapacidade de realmente produzir o composto.
“Os diboretos começaram a receber atenção na década de 1960”, disse o estudante de doutorado da UAlbany, Joseph Doane, que trabalha com Yeung. “Desde essas primeiras investigações, novas tecnologias estão permitindo que possamos sintetizar compostos químicos que antes apenas se supunham existir.”
“Sabendo o que sabemos sobre os elementos na tabela periódica, suspeitávamos que o diboreto de manganês seria estruturalmente assimétrico e instável – fatores que juntos tornariam-no altamente energético – mas até recentemente, não podíamos testá-lo porque não podia ser produzido. Sintetizar com sucesso o diboreto de manganês puro é uma conquista emocionante por si só. E agora, podemos testá-lo experimentalmente e descobrir novas maneiras de utilizá-lo.”
Sintetizar diboreto de manganês requer calor extremo gerado usando uma ferramenta chamada “melter de arco”. O primeiro passo envolve pressionar pós de manganês e boro juntos em um pellet, que é colocado em uma pequena câmara de vidro reforçada. O melter de arco direciona uma corrente elétrica estreita sobre o pellet, aquecendo-o a impressionantes 3.000°C (mais de 5.000°F). O material fundido é então resfriado rapidamente para fixar a estrutura no lugar. Em nível atômico, esse processo força um átomo central de manganês a se ligar a muitos outros átomos, resultando em uma estrutura excessivamente lotada, compactada como uma mola enrolada.
3…2…1… Deformação!
Ao explorar novos compostos químicos, a capacidade de produzir fisicamente o composto é crítica. 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 sua alta energia potencial.
“Nosso modelo do composto diboreto de manganês se parece com uma seção transversal de um sanduíche de sorvete, onde os biscoitos externos são feitos de uma estrutura de rede composta de hexágonos interconectados”, disse John. “Quando você olha de perto, pode ver que os hexágonos não são perfeitamente simétricos; todos estão um pouco inclinados. Isso chamamos de ‘deformação’. Ao medir o grau de deformação, podemos usar essa medida como um proxy para determinar a quantidade de energia armazenada no material. Aquela inclinação é onde a energia é armazenada.”
Outra maneira de visualizar isso.
“Imagine um trampolim plano; não há energia quando está plano”, disse Yeung. “Se eu colocar um peso gigantesco no centro do trampolim, ele se esticará. Esse estiramento representa a energia sendo armazenada pelo trampolim, que será liberada quando o objeto for removido. Quando nosso composto se ignita, é como se estivéssemos removendo o peso do trampolim e a energia é liberada.”
Novos Materiais Precisam de Novos Compostos
“Há um consenso entre os químicos de que compostos à base de boro deveriam ter propriedades incomuns que os fazem se comportar de maneira diferente de qualquer outro composto existente”, disse o Professor Associado de Química Alan Chen. “Há uma busca contínua para descobrir quais são essas propriedades e comportamentos. Essa busca está no coração da química de materiais, onde criar materiais mais duros, resistentes e extremos requer forjar substâncias químicas totalmente novas. É isso 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 também é um ótimo exemplo do processo científico, onde pesquisadores buscam propriedades químicas interessantes, mesmo quando não têm certeza de quais aplicações específicas podem surgir. Às vezes, como é o caso presente, os resultados são serendipitosos.”
O interesse de Yeung por compostos de boro começou quando ele era estudante de graduação na Universidade da Califórnia, em Los Angeles. Seu projeto visava descobrir compostos mais duros que diamantes.
“Lembro-me distintamente da primeira vez em que fiz um composto relacionado ao diboreto de manganês”, disse Yeung. “Lá estava eu, segurando esse novo material que devia ser super duro. Em vez disso, ele começou a aquecer e mudou para uma cor laranja bonita. Eu pensei, ‘Por que ele está laranja? Por que está brilhando? Não deveria estar brilhando!’ Foi quando percebi como os compostos de boro podem ser energéticos. Coloquei um pino nisso para explorar no futuro, e é exatamente nisso que estamos trabalhando agora.”