Nowa rakieta Starship firmy SpaceX wykorzystuje silnik Raptor.Paliwem tego silnika jest ciekły metan i tlen.Falcon 9 i Falcon Heavy wykorzystują jako paliwo naftę (RP-1).Co więcej, od długiego czasu wodór jest stosowany w różnych rakietach.Ale SpaceX wybrało Metan dla swojego Raptora.Żadna inna rakieta nie wykorzystywała metanu jako paliwa rakietowego.
Dzieje się tak dlatego, że ciekły wodór wymaga ekstremalnej kontroli temperatury, łatwo przecieka, jest mniej gęsty, dlatego wymaga większego zbiornika paliwa, jest drogi w porównaniu z metanem, nie nadaje się do rakiety wielokrotnego użytku i misji na Marsa, wymaga zaawansowanej metalurgii;w związku z tym zwiększa złożoność i koszt rakiety.
Dopracujmy.
SpaceX opracowało Raptora.Jest to silnik napędzany metanem, charakteryzujący się pełnym przepływem i etapowym spalaniem.Silnik Raptor to pierwszy w historii silnik z pełnym przepływem i etapowym spalaniem, jaki kiedykolwiek latał na rakiecie.Żaden silnik rakietowy wykorzystujący metan nie dotarł nigdy na orbitę, z wyjątkiem rakiet SpaceX.
Starship firmy SpaceX to rakieta marsjańska wielokrotnego użytku, którą można szybko wykorzystać.Rakiety Falcon nie nadają się w całości do ponownego użycia.Podczas gdy pierwszy stopień tej rakiety nadaje się do ponownego użycia, górny stopień nie.
Kolejnym problemem związanym z rakietą Falcon 9 i Falcon Heavy jest to, że nie nadaje się ona do szybkiego ponownego użycia.Po każdym locie rakieta wymaga gruntownego remontu, zanim SpaceX będzie mogła z niej ponownie skorzystać.Głównym powodem jest to, że paliwem rakiety Falcon jest nafta (RP-1).Spalone paliwo pozostawia sadzę w komorze silnika Merlin, co utrudnia jego ponowne użycie bez gruntownego czyszczenia.
Plan Marsa SpaceX:
Jak wspomnieliśmy wcześniej, Elon Musk chce polecieć na Marsa.Dotarcie statku kosmicznego z Ziemi do Marsa zajmie ponad 6 miesięcy.Podróż w obie strony trwa 12 miesięcy.
Wiemy, że atmosfera Marsa zawiera CO2 i zamarzniętą wodę w ziemi.Korzystając z tych zasobów, na Marsie możemy wytworzyć metan (CH4).
Po pierwsze, poprzez elektrolizę możemy rozdzielić wodę (H2O) na wodór (H2) i tlen (O2).
2H2O = O2 + 2H2
Tlen i wodór będą gromadzone w oddzielnych pojemnikach.Ludzie będą wykorzystywać tlen wytwarzany na tym etapie.
W następnym etapie, w procesie chemicznym znanym jako proces Sabatiera, dwutlenek węgla (CO2) i wodór (H2) utworzą metan (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Metan (CH4) i woda będą gromadzone w oddzielnych pojemnikach.Starship będzie wykorzystywał metan (CH4) i tlen (O2) jako paliwo.Marsjanie mogą pić wodę (H2O) powstałą na tym etapie lub wykorzystać ją do wytworzenia tlenu i wodoru.
Astronauci już korzystają z tych etapów, aby wytworzyć tlen z wody i wyeliminować dwutlenek węgla na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).Ponieważ proces ten został przetestowany;dlatego możemy go używać również na Marsie.Jedyna różnica polega na tym, że ISS uwalnia metan (CH4) w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy na Marsie będziemy go zbierać do pojemników jako paliwo rakietowe.
W opisanym powyżej procesie możemy wytworzyć zarówno metan (CH4), jak i wodór (H2).
| Nafta (RP-1) | Metan | Wodór | |
| Gęstość | 813 g/l | 422 g/l | 70 g/l |
| Utleniacz a stosunek paliwa | 2,7: 1 | 3,7: 1 | 6:1 |
| Efektywność | 370s | 459s | 532s |
| Temperatura spalania | 3670 tys | 3550 K | 3070 tys |
| Temperatura wrzenia | 490 tys | 111 tys | 20 tys |
| Produkty uboczne spalania | CO2, H2O i czarna sadza. | CO2 i H2O | H2O |
| Można go produkować na Marsie | No | Tak | Tak |
W rakietach wydajność silnika mierzy się w impulsie właściwym (ISP).
Uproszczone porównanie to MPG naszego pojazdu napędzanego benzyną.Im wyższy MPG samochodu, tym większy przebieg może przejechać na 1 galonie benzyny i tym jest bardziej wydajny.
Załóżmy teraz, że mamy 1 funt paliwa rakietowego.Może to być nafta (RP-1), metan (CH4) lub wodór (H2).
Dostawca usług internetowych jest mierzony w sekundach.Jest to miara, przez ile sekund silnik może pchać z siłą 9,8 niutonów przy stałej ilości paliwa.Im wyżej może pchnąć z siłą 9,8 niutonów przy tej samej ilości paliwa, tym wyższa jest wydajność lub ISP.
Jeśli mamy jeden silnik rakietowy z ISP 100s i drugi z ISP 150s, to drugi silnik z ISP 150s jest bardziej wydajny, bo może wykonać więcej pracy na tej samej ilości paliwa.
Z powyższej tabeli widzimy, że wodór jest wydajniejszy w porównaniu z metanem.Jednak wodór ma kilka problemów.
SpaceX chce, aby ich rakieta była prosta, tania i niezawodna.Według Elona Muska „najlepsza część nie jest częścią;najlepszy proces to brak procesu.”
Chociaż wodór jest wydajny w porównaniu z innymi paliwami rakietowymi, zwiększa złożoność silników rakietowych i konstrukcji rakiet.
Wodór jest cieczą kriogeniczną.Jego temperatura topnienia wynosi -259°C lub -435°F, a temperatura wrzenia wynosi -252°C lub -423°F.Aby wodór pozostał w postaci ciekłej, należy go przechowywać w bardzo niskich temperaturach.Z tego powodu rakieta wodorowa wymaga izolacji wokół zbiorników, co zwiększa masę rakiety, złożoność produkcji i koszty.
Ponadto pojawiają się inne problemy ze względu na niską temperaturę wrzenia wodoru.
Podczas długiej podróży na Księżyc i Marsa wodór wygotuje się i wyparuje.Co więcej, podczas ponownego wejścia statku kosmicznego na Ziemię wytworzone ciepło będzie stanowić poważne wyzwanie techniczne, polegające na utrzymaniu skroplonego wodoru w zbiorniku paliwa.
Jednak metan nie ma tych problemów.
Kruchość wodorowa jest poważnym problemem.Kiedy metal wchodzi w kontakt z kriogenicznym wodorem, metal staje się kruchy.Dlatego projekt rakiety wielokrotnego użytku wykorzystującej wodór jest bardzo złożony i wymagający.Silniki wodorowe wymagają zaawansowanej metalurgii, aby zapobiec tej kruchości.
Metan (CH4) nie powoduje problemu kruchości.
Gęstość wodoru wynosi 70 g/l.Natomiast gęstość metanu wynosi 422 g/l.W rezultacie zbiornik paliwa rakiety wodorowej musi być znacznie większy niż rakiety napędzanej metanem.Duży czołg oznacza cięższą rakietę.
Dlatego rakieta napędzana metanem byłaby lżejsza w porównaniu do rakiety wodorowej.
Wodór jest najmniejszą cząsteczką na Ziemi.Łatwo przecieka, głównie przez złącza spawane zbiorników paliwa.Wymaga zatem niezwykłej precyzji i dbałości o to, aby zbiornik paliwa był szczelny.
Metan nie powoduje tego problemu wycieków.
Wodór jest również drogi w porównaniu z metanem (CH4).
Jak widać, chociaż wodór jest bardziej wydajny, ma wiele wad.
Dlatego SpaceX potrzebuje silnika rakietowego, który nie będzie miał tych problemów.
Kiedy po raz pierwszy rozpoczęli projektowanie silnika, SpaceX nie chciała podejmować ryzyka stworzenia zupełnie nowego typu silnika, którego nikt nie opracował.Dlatego zdecydowali się użyć nafty (RP-1) w swoich rakietach z rodziny Falcon.Kiedy odnieśli sukces z silnikiem Marlin, rozpoczęli prace badawczo-rozwojowe nad napędzanym metanem Raptorem.
W skrócie,Ciekły metan (CH4) ma kilka zalet w porównaniu z ciekłym wodorem.Łatwiej je przechowywać.Pasywny układ chłodzenia wystarczy, aby utrzymać metan w temperaturze kriogenicznej, znacznie gęstszej niż wodór.Zbiornik paliwa rakietowego napędzanego metanem jest mniejszy i mniej nieporęczny.Właśnie dlatego SpaceX używa metanu i nie wykorzystuje wodoru.
Czas publikacji: 20 listopada 2023 r