从街头到平流层：清洁驾驶技术使火箭燃料更清洁

根据加州大学河滨分校的新研究，电动汽车电池中使用的一种化学物质也可以为我们提供用于太空飞行的无碳燃料。

除了减少排放外，这种化学物质还比其他类型的火箭燃料具有几个优点：更高的能量、更低的成本和不需要冷冻储存。

这种化学物质，氨硼烷，目前用于将氢储存在为电动汽车提供动力的燃料电池中。UCR 研究人员现在了解硼和氢的这种组合如何释放足够的能量来发射火箭和卫星。

“我们是第一个证明，除了电动汽车，在适当的条件下，氨硼烷也可用于制造火箭，”UCR 化学工程师和新研究的第一作者 Prithwish Biswas 说。他们的演示现已发表在The Journal of Physical Chemistry C上。

最常用的火箭燃料是基于碳氢化合物的，并且已知会对环境产生各种负面影响。它们可以毒害土壤数十年，导致癌症，并产生酸雨、臭氧洞和二氧化碳等温室气体。

相比之下，氨硼烷一旦燃烧，就会释放出良性化合物氧化硼和水。“它对环境的危害要小得多，”比斯瓦斯说。

与碳氢燃料相比，氨硼烷还释放更多的能量，可能会节省成本，因为为同一飞行提供动力所需的能量更少。

为了从燃料中释放能量并促进燃烧，需要添加催化剂和氧化剂来为燃料提供额外的氧气。为此目的，燃料电池经常使用催化剂。它们提高了燃烧速率，但它们在反应前后也保持相同的形式。

“航天器在短时间内需要大量能量，因此使用催化剂并不理想，因为它不会为你提供所需的能量。这就像你的油箱里的死质量，”大学的 Pankaj Ghildiyal 说马里兰化学博士学生和研究合著者，目前在 UCR 工作。

氨硼烷分解的固有化学性质阻碍了其与大多数氧化剂反应时总能量的释放。然而，研究人员发现了一种氧化剂，可以改变这种燃料的分解和氧化机制，从而提取其总能量。

“这类似于使用催化转化器来实现碳氢燃料的完全燃烧，”Ghildiyal 说。“在这里，我们能够通过使用氧化剂本身的化学性质，使化学品更完全地燃烧，并增加整个反应的能量，而无需催化剂。”

除了产生不良副产品外，一些火箭燃料还需要在低于冰点的温度下储存。“美国宇航局使用了液态氢，它的密度非常低，”吉尔迪亚尔说。“因此，它需要大量空间和低温条件进行维护。”

相比之下，这种燃料在室温下是稳定的，并且耐高温。在这项研究中，研究人员创造了非常精细的纳米级硼烷铵颗粒，这种颗粒在非常潮湿的环境中会在一个月内降解。

研究小组现在正在研究不同尺寸的硼烷铵颗粒在不同环境中的老化方式。他们还在开发将燃料颗粒封装成保护涂层的方法，以提高它们在潮湿条件下的稳定性。

这项研究由 UCR 化学工程教授 Michael R. Zachariah 监督，并由美国国防威胁减少署的大学研究联盟计划以及海军研究办公室资助。这些机构拨款帮助生产更清洁、更高效的飞行燃料。

支持本研究中的实验观察所需的量子化学计算是与 UCR 材料科学家 Hyuna Kwon 和 Bryan M. Wong 合作进行的。

“我们已经确定了为这种燃料和氧化剂组合提供动力的基本化学成分，”Biswas 说。“现在我们期待看到它的大规模表现。”