La nouvelle fusée Starship de SpaceX utilise le moteur Raptor.Le méthane liquide et l'oxygène sont le carburant de ce moteur.Les Falcon 9 et Falcon utilisent lourdement du kérosène (RP-1) comme carburant.De plus, l’hydrogène est utilisé depuis longtemps dans diverses fusées.Mais SpaceX a choisi le méthane pour son Raptor.Aucune autre fusée n’a jamais utilisé du méthane comme carburant.
C'est parce que l'hydrogène liquide a besoin d'un contrôle extrême de la température, fuit facilement, est moins dense, nécessite donc un réservoir de carburant plus grand, cher par rapport au méthane, ne convient pas à une fusée réutilisable et à une mission sur Mars, nécessite une métallurgie avancée ;par conséquent, cela augmente la complexité et le coût des fusées.
Développons.
SpaceX a développé le Raptor.Il s'agit d'un moteur à cycle de combustion étagé à plein débit alimenté au méthane.Le moteur Raptor est le tout premier de l'histoire à être un moteur à cycle de combustion étagé à plein débit jamais piloté sur une fusée.Aucun moteur de fusée utilisant du méthane n’a jamais atteint l’orbite, à l’exception des fusées SpaceX.
Le Starship de SpaceX est une fusée martienne rapidement réutilisable.Les fusées Falcon ne sont pas entièrement réutilisables.Si le premier étage de cette fusée est réutilisable, l’étage supérieur ne l’est pas.
Un autre problème avec les fusées Falcon 9 et Falcon Heavy est qu'elles ne sont pas rapidement réutilisables.Après chaque vol, cette fusée nécessite une remise à neuf approfondie avant que SpaceX puisse l'utiliser à nouveau.La principale raison est que le carburant de la fusée Falcon est du kérosène (RP-1).Le carburant brûlé laisse de la suie dans le compartiment moteur du Merlin, ce qui rend plus difficile sa réutilisation sans un nettoyage approfondi.
Le plan Mars de SpaceX :
Comme nous l'évoquions plus tôt, Elon Musk souhaite aller sur Mars.Un vaisseau spatial mettra plus de 6 mois pour atteindre Mars depuis la Terre.L'aller-retour dure 12 mois.
Nous savons que l’atmosphère de Mars contient du CO2 et de l’eau gelée dans le sol.Sur Mars, nous pouvons créer du méthane (CH4) à partir de ces ressources.
Premièrement, grâce à l’électrolyse, nous pouvons diviser l’eau (H2O) en hydrogène (H2) et oxygène (O2).
2H2O = O2 + 2H2
L'oxygène et l'hydrogène seront collectés dans des conteneurs séparés.Les humains utiliseront l’oxygène produit lors de cette étape.
À l'étape suivante, grâce à un processus chimique connu sous le nom de procédé Sabatier, le dioxyde de carbone (CO2) et l'hydrogène (H2) créeraient du méthane (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Le méthane (CH4) et l'eau seront collectés dans des conteneurs séparés.Starship utilisera du méthane (CH4) et de l’oxygène (O2) comme carburant.Les Martiens peuvent boire l'eau (H2O) produite lors de cette étape ou l'utiliser pour fabriquer de l'oxygène et de l'hydrogène.
Les astronautes utilisent déjà ces étapes pour produire de l'oxygène à partir de l'eau et éliminer le dioxyde de carbone à la Station spatiale internationale (ISS).Comme ce processus a été testé ;nous pouvons donc également l’utiliser sur Mars.La seule différence est que l’ISS libère du méthane (CH4) dans l’espace, tandis que sur Mars, nous le collecterons dans des conteneurs comme carburant pour fusée.
Dans le processus décrit ci-dessus, nous pouvons produire à la fois du méthane (CH4) et de l'hydrogène (H2).
| Kérosène (RP-1) | Méthane | Hydrogène | |
| Densité | 813 g/L | 422 g/L | 70g/L |
| Rapport comburant/carburant | 2,7 : 1 | 3,7 : 1 | 6 : 1 |
| Efficacité | 370 | 459 | 532s |
| Température de combustion | 3670 Ko | 3550K | 3070 Ko |
| Point d'ébullition | 490 Ko | 111 Ko | 20 000 |
| Sous-produits de combustion | CO2, H2O et suie noire. | CO2 et H2O | H2O |
| Fabérable sur Mars | No | Oui | Oui |
En fusée, l’efficacité d’un moteur se mesure en impulsion spécifique (ISP).
Une comparaison simplifiée serait le MPG de notre véhicule à essence.Plus le MPG d’une voiture est élevé, plus elle peut parcourir de kilomètres avec 1 gallon d’essence et plus elle est efficace.
Supposons maintenant que nous ayons 1 livre de carburant pour fusée.Il peut s'agir de kérosène (RP-1), de méthane (CH4) ou d'hydrogène (H2).
Le FAI se mesure en secondes.Il s'agit de la mesure pendant combien de secondes le moteur peut pousser avec une force de 9,8 newtons avec une quantité fixe de carburant.Plus il peut pousser haut avec 9,8 Newtons avec la même quantité de carburant, plus l'efficacité ou l'ISP est élevée.
Si nous avons un moteur de fusée avec un ISP de 100 s et un autre avec un ISP de 150 s, alors le deuxième moteur avec un ISP de 150 s est plus efficace car il peut effectuer plus de travail avec la même quantité de carburant.
D’après le tableau ci-dessus, nous pouvons voir que l’hydrogène est efficace par rapport au méthane.Cependant, l’hydrogène présente plusieurs problèmes.
SpaceX veut que sa fusée soit simple, bon marché et fiable.Selon Elon Musk, «la meilleure partie n’est pas une partie ;le meilleur processus est l’absence de processus.
Bien que l’hydrogène soit efficace par rapport aux autres propulseurs de fusée, il ajoute de la complexité aux moteurs de fusée et à la conception des fusées.
L'hydrogène est un fluide cryogénique.Son point de fusion est de -259°C ou -435°F et son point d'ébullition est de -252°C ou -423°F.L’hydrogène doit être stocké à des températures extrêmement froides pour le conserver sous forme liquide.Pour cette raison, une fusée à hydrogène a besoin d’une isolation autour des réservoirs, augmentant ainsi le poids, la complexité de production et le coût de la fusée.
De plus, d'autres problèmes surviennent en raison du faible point d'ébullition de l'hydrogène.
Lors d’un long voyage vers la Lune et Mars, l’hydrogène s’évapore et s’évapore.De plus, lors de la rentrée terrestre du Starship, la chaleur générée posera un défi technique important pour maintenir l'hydrogène liquéfié dans le réservoir de carburant.
Cependant, le méthane n’a pas ces problèmes.
La fragilisation par l’hydrogène est un problème sérieux.Lorsque le métal entre en contact avec de l’hydrogène cryogénique, le métal devient cassant.Par conséquent, une conception de fusée réutilisable utilisant de l’hydrogène est très complexe et difficile.Les moteurs à hydrogène ont besoin d’une métallurgie avancée pour éviter cette fragilisation.
Le méthane (CH4) ne crée pas ce problème de fragilisation.
La densité de l'hydrogène est de 70 g/L.En revanche, la densité du méthane est de 422 g/L.En conséquence, le réservoir de carburant d’une fusée à hydrogène doit être nettement plus grand que celui d’une fusée propulsée au méthane.Un gros char signifie une fusée plus lourde.
Par conséquent, une fusée propulsée au méthane serait plus légère qu’une fusée à hydrogène.
L'hydrogène est la plus petite molécule sur terre.Il fuit facilement, principalement par les joints soudés des réservoirs de carburant.Par conséquent, il faut une précision et un soin extraordinaires pour rendre le réservoir de carburant étanche.
Le méthane n'a pas ce problème de fuite.
L'hydrogène est également cher par rapport au méthane (CH4).
Comme nous pouvons le constater, bien que l’hydrogène soit plus efficace, il présente de nombreux inconvénients.
Par conséquent, SpaceX a besoin d’un moteur de fusée qui ne présente pas ces problèmes.
Lorsqu’ils ont commencé à concevoir un moteur, SpaceX ne voulait prendre aucun risque en créant un type de moteur complètement nouveau que personne n’avait développé.Ils ont donc décidé d'utiliser du kérosène (RP-1) pour leurs fusées de la famille Falcon.Lorsqu'ils ont réussi avec leur moteur Marlin, ils ont commencé leur R&D pour le Raptor propulsé au méthane.
En bref,Le méthane liquide (CH4) présente plusieurs avantages par rapport à l'hydrogène liquide.C'est plus facile à stocker.Un système de refroidissement passif suffit à maintenir le méthane à une température cryogénique, nettement plus dense que l'hydrogène.Un réservoir de carburant pour fusée propulsée au méthane est plus petit et moins encombrant.C'est pourquoi SpaceX utilise du méthane et n'utilise pas d'hydrogène.
Heure de publication : 20 novembre 2023