Dual-Function Metal–Organic Framework for Enhanced Fuel Efficiency in Composite Solid Propellants: Metal-Coordinated Catalytic Sites and Linker-Derived Polymeric Additive in Ammonium Perchlorate Decomposition 

تعتمد محركات الصواريخ التي تدفع المركبات الفضائية والصواريخ الموجهة على مبدأ بسيط ولكنه متطلب: فهي تحتاج إلى وقود يحترق بحرارة، وسرعة، وبشكل يمكن التنبؤ به. وفي قلب العديد من هذه المحركات تكمن مسحوق بلوري أبيض يسمى بيركلورات الأمونيوم. تعمل هذه المادة كمؤكسد، وهو المادة التي توفر الأكسجين اللازم لاحتراق الوقود في فراغ الفضاء. ومع ذلك، فإن جعل هذا المسحوق يتحلل في اللحظة المناسبة تماماً وبأقصى كفاءة يمثل تحدياً مستمراً للمهندسين. فإذا حدث التحلل ببطء شديد، يتعثر المحرك؛ وإذا حدث بعنف شديد، فقد يدمر المحرك. ولعقود من الزمن، بحث العلماء عن إضافات — وهي كميات ضئيلة من مواد إضافية تُخلط مع الوقود — يمكن أن تعمل كحفاز، وهي مادة تسرع التفاعل الكيميائي دون أن تُستهلك نفسها. والهدف هو العثور على مادة لا تخفض درجة الحرارة المطلوبة لبدء التفاعل فحسب، بل تطلق أيضاً طاقة أكبر، مما يجعل الصاروخ أكثر قوة وكفاءة.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثون فئة من المواد تُعرف باسم الأطر المعدنية العضوية لحل هذه المشكلة. تخيل هذه الأطر كدعامات مجهرية ثلاثية الأبعاد مبنية من أيونات معدنية متصلة بروابط عضوية، مما يخلق هيكلاً صلباً مليئاً بالمسام الصغيرة. وتتميز هذه المواد بأنها توفر مساحة سطح هائلة محشورة في مساحة صغيرة، مما يوفر عدداً لا يحصى من المواقع التي يمكن أن تحدث فيها التفاعلات الكيميائية. وقد قام الباحثون بتخليق عدة نسخ من هذه الأطر باستخدام معادن وروابط مختلفة. ثم خلطوا كمية ضئيلة من هذه الأطر مع مسحوق بيركلورات الأمونيوم لمعرفة كيفية سلوك هذا الخليط تحت تأثير الحرارة. ركزت الدراسة على نوعين رئيسيين من الأطر: تلك المبنية باستخدام نوع واحد من الروابط، وتلك المبنية بنوعين مختلفين من الروابط. ومن خلال مقارنة كيفية تأثير هذه الهياكل المختلفة على احتراق وقود الصاروخ، هدف الفريق إلى تحديد التصميم الذي يقدم أفضل أداء.

بدأ العلماء بإنشاء هذه الهياكل المسامية في بيئة مختبرية. فقد خلطوا أملاحاً معدنية مع مواد عضوية في مذيبات سائلة، مما سمح للمواد بالنمو في أشكال محددة، مثل المكعبات، والقضبان، ومتعدد الأوجه، بأحجام تتراوح ما بين عرض شعرة الإنسان وجزء ضئيل من عرضها. وقد بُنيت بعض هذه الأطر باستخدام رابط عضوي واحد يسمى "2-ميثيل إيميدازول"، بينما استخدم البعض الآخر مزيجاً من "حمض التيريفثاليك" و"ثنائي إيثيلين ديامين". وبعد نمو هذه البلورات، اختبر الباحثون استقرارها عن طريق تسخينها. ووجدوا أن الأطر المبنية باستخدام رابط واحد كانت قوية للغاية، حيث حافظت على شكلها وهيكلها حتى درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية. وفي المقابل، بدأت الأطر المبنية بروابط مزدوجة في التحلل وفقدان هيكلها عند درجات حرارة أقل بكثير، حوالي 300 درجة مئوية. وقد ثبت أن هذا الاختلاف في مقاومة الحرارة كان عاملاً حاسماً في مدى قدرتها على مساعدة وقود الصاروخ على الاحتراق.

بعد ذلك، خلط الفريق هذه المواد مع بيركلورات الأمونيوم لإنشاء عينات مركبة. وقاموا بتسخين هذه المخاليط لمراقبة تحلل الوقود. وأظهرت النتائج ميزة واضحة للأطر ذات الرابط الواحد. فعند خلطها مع الوقود، ساهمت الأطر ذات الرابط الواحد التي تحتوي على الكوبالت أو الزنك في خفض درجة الحرارة التي يبدأ عندها تحلل الوقود بشكل كبير. وتحديداً، ساعد الإطار القائم على الكوبالت الوقود على بدء التحلل عند 286 درجة مئوية، وهو انخفاض يزيد عن 30 درجة مقارنة بالوقود وحده. والأهم من ذلك، أن ذروة درجة الحرارة التي يحترق عندها الوقود بأقصى شدة انخفضت بأكثر من 100 درجة، من 430 درجة إلى 327 درجة. هذا التحول يعني أن الوقود يطلق طاقته بسهولة أكبر بكثير. ومن حيث ناتج الطاقة، أطلق الخليط الذي يحتوي على إطار الكوبالت حرارة تقارب خمسة أضعاف ما أطلقه الوقود النقي بمفرده لكل جرام.

كما قاس الباحثون الضغط الناتج عن احتراق المخاليط في غرفة محكومة. ويعد هذا الضغط مؤشراً مباشياً على كمية الغاز التي يتم إنتاجها وسرعة إنتاجها، وهو ما يترجم إلى قوة الدفع التي يمكن أن يولدها محرك الصاروخ. أنتجت المخاليط ذات الأطر أحادية الرابط أعلى الضغوط، حيث وصلت ذروتها إلى 64 ميجاباسكال للنسخة التي تحتوي على الكوبالت و59 ميجاباسكال للنسخة التي تحتوي على الزنك. وكانت هذه الضغوط أعلى بكثير من تلك التي أنتجتها الأطر ذات الروابط المزدوجة أو الأكاسيد المعدنية التي تحولت إليها الأطر بعد تسخينها. وتشير الدراسة إلى أن نجاح المواد أحادية الرابط يعود إلى الدور المزدوج الذي تلعبه؛ أولاً، يسمح هيكلها المسامي ومساحة سطحها العالية بالتفاعل الوثيق مع جزيئات الوقود، مما يساعد على تفكيكها. ثانياً، عندما تسخن المادة، تعمل الروابط العضوية نفسها كإضافة بوليمرية، حيث تساهم في توفير نيتروجين إضافي للتفاعل وتساعد في استمرار عملية الاحتراق.

كما بحثت الدراسة في التغيرات الكيميائية التي تحدث على سطح هذه المواد. وباستخدام تقنيات التصوير والتحليل المتقدمة، لاحظ الباحثون أن ذرات المعادن داخل الأطر تغيرت حالتها الكهربائية أثناء تفاعلها مع الوقود، مما خلق مواقع نشطة شجعت التفاعل بشكل أكبر. وقد حافظت الأطر أحادية الرابط على سلامتها الهيكلية لفترة أطول، مما سمح لها بالعمل بفعالية طوال عملية التسخين. وفي المقابل، تدهورت الأطر ذات الروابط المزدوجة مبكراً، وفقدت مزاياها الهيكلية قبل أن تتمكن من مساعدة الوقود بشكل كامل. وتشير النتائج إلى أن الجمع المحدد بين هيكل قوي أحادي الرابط ومواقع معدنية نشطة يخلق حفازاً فائقاً. فهذه المادة لا تخفض درجة الحرارة المطلوبة لإشعال الوقود فحسب، بل تضمن أيضاً احتراقاً أكثر اكتمالاً وطاقة، مما يؤدي إلى ضغط أعلى وكفاءة أكبر.

وفي الختام، يسلط هذا البحث الضوء على مسار واعد لتحسين دافعات الصواريخ الصلبة. فمن خلال تصميم أطر معدنية عضوية تتميز بالاستقرار الحراري والنشاط الكيميائي، يمكن للعلماء ابتكار إضافات تجعل محركات الصواريخ أكثر قوة دون الحاجة إلى عمليات تصنيع معقدة. وتؤكد الدراسة أن اختيار الروابط الموصلة في هذه الأطر لا يقل أهمية عن اختيار المعدن نفسه. فقد برزت التصاميم أحادية الرابط، وخاصة تلك التي تستخدم الكوبالت والزنك، كأكثر التصاميم فعالية، حيث قدمت مزيجاً من مساحة السطح العالية، والمرونة الحرارية، والقدرة التحفيزية التي لم تستطع التصاميم مزدوجة الرابط مضاهاتها. ويوفر هذا العمل مخططاً واضحاً لتطوير الجيل القادم من المواد الطاقية، حيث يمكن للهندسة المجهرية للحفاز أن تحدد أداء صاروخ ينطلق في أعالي السماء.