Pressure-resistant breakthrough New rocket propellant or explosive based on nitrogen

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Universität Bayreuth

GGB Heilbronn GmbH

Previously non-existent scandium polynitrides have been produced at the University of Bayreuth under extreme conditions. Here, the researchers report on what could be done with them.

Materialien mit hoher Energiedichte (High Energy Density Materials = HEDM) sind wegen ihrer außergewöhnlichen energetischen Leistung für verschiedene Anwendungen von zentraler Bedeutung, heißt es aus bayreuther Forscherkreisen, die diese Materialien untersuchen. Dazu gehören etwa eine hohe Detonationsgeschwindigkeit und damit ein hoher Detonationsdruck sowie eine hohe Energiespeicherkapazität. Ihr Einsatz sei deshalb in der Weltraumforschung als Raketentreibstoffe und in der Verteidigung als neuartige Sprengstoffe denkbar. Die einzigartigen chemischen Eigenschaften dieser Materialien, wie zum Beispiel ihre Fähigkeit, große Energiemengen in einem relativ kleinen Volumen zu speichern, machten sie für den technologischen Fortschritt in Bereichen unverzichtbar, in denen hohe Leistungen und kompakte Energiespeichersysteme erforderlich seien.

The lighter the elements, the more energy in the solid

Stickstoffhaltige Verbindungen gehören zu den effektivsten Möglichkeiten für HEDM, wie es weiter heißt. Die Fähigkeit des Stickstoffs, verschiedene stabile und energetisch günstige Bindungen unterschiedlicher Ordnung zu bilden (einfaches N-N, doppeltes N=N oder dreifaches N≡N), ermöglicht die Synthese einer breiten Palette von Verbindungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Stickstoffhaltige Materialien sind deshalb in der Lage, bei der Zersetzung oder Verbrennung (wenn Einfachbindungen durch Dreifachbindungen ersetzt werden) eine enorme Menge an Energie freizusetzen, was sie eben als Treibstoffe und Sprengstoffe sehr effektiv macht. Bei der Zersetzung von stickstoffhaltigen Verbindungen entsteht häufig Stickstoffgas (N₂), ein stabiles, inertes und deshalb nicht zuletzt umweltfreundliches Produkt.

Will man die Effekte von HEDM aber beherrschen, rückt das Molekulargewicht als ein sehr wichtiger Parameter in den Fokus. Denn je leichter die Elemente sind, die einen Festkörper bilden, desto höher ist die gravimetrische Energiedichte der Verbindung. Weil Scandium das leichteste Übergangsmetall ist, sind seine Polynitride (Verbindungen mit zahlreichen einfach gebundenen Stickstoffatomen) als HEDM besonders vielversprechend, wie Vorabberechnungen ahnen lassen. Doch Bisher waren Scandiumpolynitride jedoch unbekannt. Das hat sich nun geändert, wie die Bayreuther betonen können.

Three times stronger than the well-known explosive TNT

Die Forscher berichten bisher über vier neuartige Scandiumnitride (Sc2N6, Sc2N8, ScN5 und Sc4N3). Die beiden neuartigen verketteten Stickstoffeinheiten N66- und N86-, die in dieser Studie entstanden sind, erweitern aber nun die Liste der anionischen Stickstoffoligomere erheblich. Sie leisteten einen bemerkenswerten Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Stickstoffchemie unter hohem Druck. Die synthetisierten Sc2N6-, Sc2N8- und ScN5-Feststoffe sind vielversprechende Materialien mit hoher Energiedichte. Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsdruck sind laut Berechnungen bis zu dreimal höher als beim herkömmlichen Sprengstoff Trinitrotoluol (TNT). Die Hochdruckchemie beweise also die Existenz und Vielfalt von Polynitriden und eröffne Perspektiven für deren Anwendungen in Wissenschaft und Technik.