يستخدم صاروخ Starship الجديد من SpaceX محرك Raptor.الميثان السائل والأكسجين هو وقود هذا المحرك.يستخدم Falcon 9 وFalcon الكيروسين بكثرة (RP-1) كوقود.علاوة على ذلك، فقد تم استخدام الهيدروجين لفترة طويلة في العديد من الصواريخ.لكن شركة SpaceX اختارت غاز الميثان لمركبتها Raptor.ولم تستخدم أي صواريخ أخرى غاز الميثان كوقود للصواريخ على الإطلاق.
ذلك لأن الهيدروجين السائل يحتاج إلى تحكم شديد في درجة الحرارة، ويتسرب بسهولة، وأقل كثافة، وبالتالي يتطلب خزان وقود أكبر، ومكلفًا مقارنة بالميثان، وغير مناسب لصاروخ قابل لإعادة الاستخدام ومهمة المريخ، ويحتاج إلى تعدين متقدم؛وبالتالي، فإنه يزيد من تعقيد الصواريخ والتكلفة.
دعونا نوضح ذلك.
قامت SpaceX بتطوير Raptor.إنه محرك دورة احتراق كامل التدفق يعمل بالميثان.يعد محرك رابتور هو الأول من نوعه في التاريخ، وهو محرك دورة احتراق كامل التدفق يتم إطلاقه على صاروخ.لم يصل أي محرك صاروخي يستخدم الميثان إلى المدار باستثناء صواريخ سبيس إكس.
إن المركبة الفضائية SpaceX هي صاروخ مريخ قابل لإعادة الاستخدام بسرعة.صواريخ فالكون ليست قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل.في حين أن المرحلة الأولى من هذا الصاروخ قابلة لإعادة الاستخدام، إلا أن المرحلة العليا ليست كذلك.
هناك مشكلة أخرى تتعلق بصاروخ Falcon 9 وFalcon Heavy وهي أنه لا يمكن إعادة استخدامه بسرعة.وبعد كل رحلة، يحتاج هذا الصاروخ إلى تجديد شامل قبل أن تتمكن SpaceX من استخدامه مرة أخرى.السبب الرئيسي هو أن وقود صاروخ فالكون هو الكيروسين (RP-1).يترك الوقود المحترق السخام في حجرة محرك ميرلين، مما يجعل من الصعب إعادة استخدامه دون تنظيف شامل.
خطة المريخ الخاصة بشركة SpaceX:
كما ذكرنا سابقًا، يريد إيلون ماسك الذهاب إلى المريخ.ستستغرق سفينة الفضاء أكثر من 6 أشهر للوصول إلى المريخ من الأرض.الرحلة ذهابا وإيابا هي 12 شهرا.
نحن نعلم أن الغلاف الجوي للمريخ يحتوي على ثاني أكسيد الكربون ومياه متجمدة في الأرض.على المريخ، يمكننا إنتاج الميثان (CH4) باستخدام هذه الموارد.
أولاً، من خلال التحليل الكهربائي، يمكننا تقسيم الماء (H2O) إلى هيدروجين (H2) وأكسجين (O2).
2H2O = O2 + 2H2
سيتم جمع الأكسجين والهيدروجين في حاويات منفصلة.سيستخدم البشر الأكسجين الناتج في هذه الخطوة.
في الخطوة التالية، من خلال عملية كيميائية تعرف باسم عملية ساباتير، سينتج ثاني أكسيد الكربون (CO2) والهيدروجين (H2) غاز الميثان (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
سيتم جمع الميثان (CH4) والماء في حاويات منفصلة.ستستخدم المركبة الفضائية الميثان (CH4) والأكسجين (O2) كوقود.يستطيع المريخيون شرب الماء (H2O) الناتج في هذه الخطوة أو استخدامه لإنتاج الأكسجين والهيدروجين.
يستخدم رواد الفضاء بالفعل هذه الخطوات لإنتاج الأكسجين من الماء والتخلص من ثاني أكسيد الكربون في محطة الفضاء الدولية (ISS).كما تم اختبار هذه العملية؛لذلك، يمكننا أيضًا استخدامه على المريخ.والفرق الوحيد هو أن محطة الفضاء الدولية تطلق غاز الميثان (CH4) في الفضاء الخارجي، بينما على المريخ، سنقوم بتجميعه في حاويات كوقود للصواريخ.
في العملية الموضحة أعلاه، يمكننا إنتاج كل من الميثان (CH4) والهيدروجين (H2).
| الكيروسين (RP-1) | الميثان | هيدروجين | |
| كثافة | 813 جرام/لتر | 422 جرام/لتر | 70 جم/لتر |
| المؤكسد مقابل نسبة الوقود | 2.7 : 1 | 3.7 : 1 | 6 : 1 |
| كفاءة | 370s | 459 ثانية | 532 ثانية |
| درجة حرارة الاحتراق | 3670 ك | 3550 ك | 3070 ك |
| نقطة الغليان | 490 ك | 111 ك | 20 ك |
| منتجات الاحتراق الثانوية | ثاني أكسيد الكربون، H2O، والسخام الأسود. | ثاني أكسيد الكربون وH2O | ماء |
| قابلة للتصنيع على المريخ | No | نعم | نعم |
في علم الصواريخ، يتم قياس كفاءة المحرك بنبضات محددة (ISP).
المقارنة المبسطة ستكون ميلا في الغالون لسيارتنا التي تعمل بالبنزين.كلما زاد ميلا في الغالون للسيارة، زاد عدد الكيلومترات التي يمكن أن تقطعها بجالون واحد من الغاز، وأكثر كفاءة.
الآن، لنفترض أن لدينا رطلًا واحدًا من وقود الصواريخ.يمكن أن يكون الكيروسين (RP-1)، الميثان (CH4)، أو الهيدروجين (H2).
يتم قياس مزود خدمة الإنترنت بالثواني.إنه قياس عدد الثواني التي يمكن للمحرك أن يدفعها بقوة 9.8 نيوتن بكمية ثابتة من الوقود.كلما زادت قدرتها على الدفع بمقدار 9.8 نيوتن بنفس كمية الوقود، زادت الكفاءة أو مزود خدمة الإنترنت.
إذا كان لدينا محرك صاروخي مزود بـ 100s ISP وآخر مزود بـ 150s ISP، فإن المحرك الثاني المزود بـ 150s ISP يكون أكثر كفاءة لأنه يمكنه القيام بالمزيد من العمل بنفس كمية الوقود.
من الجدول أعلاه، يمكننا أن نرى أن الهيدروجين فعال مقارنة بالميثان.ومع ذلك، الهيدروجين لديه العديد من القضايا.
تريد شركة SpaceX أن يكون صاروخها بسيطًا ورخيصًا وموثوقًا.وفقًا لإيلون ماسك، "الجزء الأفضل ليس جزءًا؛أفضل عملية هي عدم وجود عملية."
على الرغم من أن الهيدروجين فعال مقارنة بوقود الصواريخ الأخرى، إلا أنه يضيف تعقيدًا إلى محركات الصواريخ وتصميم الصواريخ.
الهيدروجين هو سائل مبرد.درجة انصهاره هي -259 درجة مئوية أو -435 درجة فهرنهايت، ونقطة غليانه هي -252 درجة مئوية أو -423 درجة فهرنهايت.يجب تخزين الهيدروجين في درجات حرارة شديدة البرودة للحفاظ عليه في شكل سائل.ولهذا السبب، يحتاج صاروخ الهيدروجين إلى العزل حول الخزانات، وبالتالي زيادة وزن الصاروخ وتعقيد الإنتاج والتكلفة.
علاوة على ذلك، تنشأ مشاكل أخرى بسبب انخفاض نقطة غليان الهيدروجين.
في رحلة طويلة إلى القمر والمريخ، سيغلي الهيدروجين ويتبخر.علاوة على ذلك، أثناء عودة المركبة الفضائية إلى الأرض، ستسبب الحرارة المتولدة تحديًا تقنيًا كبيرًا للحفاظ على الهيدروجين مسالاً في خزان الوقود.
ومع ذلك، لا يعاني الميثان من هذه المشاكل.
يعتبر التقصف الهيدروجيني مشكلة خطيرة.عندما يتلامس المعدن مع الهيدروجين المبرد، يصبح المعدن هشًا.ولذلك، فإن تصميم صاروخ قابل لإعادة الاستخدام يستخدم الهيدروجين معقد للغاية وصعب.تحتاج محركات الهيدروجين إلى تعدين متقدم لمنع هذا التقصف.
الميثان (CH4) لا يسبب مشكلة التقصف هذه.
كثافة الهيدروجين 70 جم/لتر.وفي المقابل، تبلغ كثافة الميثان 422 جم/لتر.ونتيجة لذلك، يجب أن يكون خزان وقود صاروخ الهيدروجين أكبر بكثير من صاروخ يعمل بالميثان.الدبابة الكبيرة تعني صاروخ أثقل.
ولذلك، فإن الصاروخ الذي يعمل بالميثان سيكون أخف وزنا مقارنة بصاروخ الهيدروجين.
الهيدروجين هو أصغر جزيء على وجه الأرض.يتسرب بسهولة، في المقام الأول من خلال الوصلات الملحومة لخزانات الوقود.ولذلك، فإنه يحتاج إلى دقة وعناية غير عادية لجعل خزان الوقود مانعًا للتسرب.
لا يعاني الميثان من مشكلة التسرب هذه.
كما أن الهيدروجين باهظ الثمن مقارنة بالميثان (CH4).
كما نرى، على الرغم من أن الهيدروجين أكثر كفاءة، إلا أن له عيوبًا عديدة.
لذلك، تحتاج شركة SpaceX إلى محرك صاروخي لا يعاني من هذه المشكلات.
عندما بدأوا في تصميم المحرك لأول مرة، لم ترغب شركة SpaceX في المخاطرة بإنشاء نوع جديد تمامًا من المحركات لم يطوره أحد.لذلك، قرروا استخدام الكيروسين (RP-1) في صواريخ عائلة فالكون الخاصة بهم.عندما نجحوا في استخدام محرك Marlin الخاص بهم، بدأوا في البحث والتطوير لسيارة رابتور التي تعمل بالميثان.
باختصار،للميثان السائل (CH4) فوائد عديدة مقارنة بالهيدروجين السائل.إنه أسهل للتخزين.نظام التبريد السلبي يكفي للحفاظ على الميثان في درجة الحرارة المبردة، وهو أكثر كثافة بكثير من الهيدروجين.خزان وقود الصواريخ الذي يعمل بالميثان أصغر حجمًا وأقل حجمًا.ولهذا السبب يستخدم SpaceX الميثان ولا يستخدم الهيدروجين.
وقت النشر: 20 نوفمبر 2023