Die neue Starship-Rakete von SpaceX nutzt den Raptor-Motor.Flüssiges Methan und Sauerstoff sind der Treibstoff dieses Motors.Die Falcon 9 und Falcon Heavy verwenden Kerosin (RP-1) als Treibstoff.Darüber hinaus wird Wasserstoff seit langem in verschiedenen Raketen eingesetzt.SpaceX entschied sich jedoch für Methan für seinen Raptor.Keine andere Rakete hat jemals Methan als Raketentreibstoff verwendet.
Das liegt daran, dass flüssiger Wasserstoff einer extremen Temperaturkontrolle bedarf, leicht ausläuft, eine geringere Dichte aufweist, daher einen größeren Treibstofftank erfordert, teuer im Vergleich zu Methan, nicht für eine wiederverwendbare Rakete und eine Marsmission geeignet ist und fortschrittliche Metallurgie erfordert;Daher erhöht es die Komplexität und Kosten der Rakete.
Lassen Sie uns näher darauf eingehen.
SpaceX hat den Raptor entwickelt.Es handelt sich um einen mit Methan betriebenen Vollstrommotor mit stufenweisem Verbrennungszyklus.Der Raptor-Motor ist der erste in der Geschichte, ein Vollstrom-Motor mit abgestuftem Verbrennungszyklus, der jemals in einer Rakete geflogen ist.Außer SpaceX-Raketen hat noch kein Raketentriebwerk, das Methan nutzt, die Umlaufbahn erreicht.
Das Starship von SpaceX ist eine schnell wiederverwendbare Marsrakete.Die Falcon-Raketen sind nicht vollständig wiederverwendbar.Während die erste Stufe dieser Rakete wiederverwendbar ist, ist dies bei der oberen Stufe nicht der Fall.
Ein weiteres Problem der Falcon 9- und Falcon Heavy-Raketen besteht darin, dass sie nicht schnell wiederverwendbar sind.Nach jedem Flug muss diese Rakete umfassend renoviert werden, bevor SpaceX sie wieder verwenden kann.Der Hauptgrund dafür ist, dass der Treibstoff der Falcon-Rakete Kerosin (RP-1) ist.Der verbrannte Kraftstoff hinterlässt Ruß im Merlin-Motorraum, was eine Wiederverwendung ohne umfassende Reinigung erschwert.
Der Marsplan von SpaceX:
Wie bereits erwähnt, möchte Elon Musk zum Mars fliegen.Ein Raumschiff wird mehr als sechs Monate brauchen, um von der Erde aus den Mars zu erreichen.Die Hin- und Rückreise dauert 12 Monate.
Wir wissen, dass die Marsatmosphäre CO2 enthält und gefrorenes Wasser im Boden vorhanden ist.Auf dem Mars können wir mit diesen Ressourcen Methan (CH4) erzeugen.
Erstens können wir durch Elektrolyse Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spalten.
2H2O = O2 + 2H2
Sauerstoff und Wasserstoff werden in getrennten Behältern gesammelt.Der Mensch wird den in diesem Schritt erzeugten Sauerstoff nutzen.
Im nächsten Schritt würde durch einen chemischen Prozess, der als Sabatier-Prozess bekannt ist, Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) Methan (CH4) erzeugen.
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Methan (CH4) und Wasser werden in getrennten Behältern gesammelt.Das Raumschiff wird Methan (CH4) und Sauerstoff (O2) als Treibstoff verwenden.Die Marsmenschen können das in diesem Schritt erzeugte Wasser (H2O) trinken oder daraus Sauerstoff und Wasserstoff herstellen.
Astronauten nutzen diese Schritte bereits, um auf der Internationalen Raumstation (ISS) Sauerstoff aus Wasser zu erzeugen und Kohlendioxid zu eliminieren.Da dieser Prozess getestet wurde;Daher können wir es auch auf dem Mars nutzen.Der einzige Unterschied besteht darin, dass die ISS Methan (CH4) in den Weltraum abgibt, während wir es auf dem Mars in Behältern als Raketentreibstoff sammeln.
Im oben beschriebenen Prozess können wir sowohl Methan (CH4) als auch Wasserstoff (H2) herstellen.
| Kerosin (RP-1) | Methan | Wasserstoff | |
| Dichte | 813 g/L | 422 g/L | 70 g/L |
| Verhältnis von Oxidationsmittel zu Kraftstoff | 2,7 : 1 | 3,7 : 1 | 6 : 1 |
| Effizienz | 370er Jahre | 459s | 532s |
| Verbrennungstemp | 3670 K | 3550 K | 3070 K |
| Siedepunkt | 490 K | 111 K | 20 K |
| Verbrennungsnebenprodukte | CO2, H2O und schwarzer Ruß. | CO2 und H2O | H2O |
| Herstellbar auf dem Mars | No | Ja | Ja |
In der Raketentechnik wird die Effizienz eines Triebwerks in spezifischen Impulsen (ISP) gemessen.
Ein vereinfachter Vergleich wäre der MPG unseres benzinbetriebenen Fahrzeugs.Je höher der MPG-Wert eines Autos, desto mehr Kilometer kann es mit 1 Gallone Benzin fahren und desto effizienter ist es.
Nehmen wir nun an, dass wir 1 Pfund Raketentreibstoff haben.Es kann sich um Kerosin (RP-1), Methan (CH4) oder Wasserstoff (H2) handeln.
ISP wird in Sekunden gemessen.Es ist das Maß dafür, wie viele Sekunden der Motor mit einer Kraft von 9,8 Newton bei einer festgelegten Kraftstoffmenge schieben kann.Je höher er mit 9,8 Newton bei gleicher Treibstoffmenge schieben kann, desto höher ist der Wirkungsgrad bzw. ISP.
Wenn wir ein Raketentriebwerk mit 100s ISP und ein anderes mit 150s ISP haben, dann ist das zweite Triebwerk mit 150s ISP effizienter, weil es mit der gleichen Treibstoffmenge mehr Arbeit leisten kann.
Aus der obigen Tabelle können wir ersehen, dass Wasserstoff im Vergleich zu Methan effizient ist.Wasserstoff hat jedoch mehrere Probleme.
SpaceX möchte, dass seine Rakete einfach, günstig und zuverlässig ist.Laut Elon Musk: „Der beste Teil ist kein Teil;Der beste Prozess ist kein Prozess.“
Obwohl Wasserstoff im Vergleich zu anderen Raketentreibstoffen effizient ist, erhöht er die Komplexität der Raketentriebwerke und des Raketendesigns.
Wasserstoff ist eine kryogene Flüssigkeit.Sein Schmelzpunkt liegt bei -259 °C oder -435 °F und sein Siedepunkt bei -252 °C oder -423 °F.Wasserstoff muss bei extrem kalten Temperaturen gespeichert werden, um ihn in flüssiger Form zu halten.Aus diesem Grund benötigt eine Wasserstoffrakete eine Isolierung rund um die Tanks, was das Raketengewicht, die Produktionskomplexität und die Kosten erhöht.
Darüber hinaus entstehen aufgrund des niedrigen Siedepunkts des Wasserstoffs weitere Probleme.
Auf einer langen Reise zum Mond und Mars verdampft der Wasserstoff und verdampft.Darüber hinaus wird die erzeugte Wärme beim Wiedereintritt des Raumschiffs in die Erde eine erhebliche technische Herausforderung darstellen, um den Wasserstoff im Treibstofftank verflüssigt zu halten.
Bei Methan treten diese Probleme jedoch nicht auf.
Wasserstoffversprödung ist ein ernstes Problem.Wenn Metall mit kryogenem Wasserstoff in Kontakt kommt, wird das Metall spröde.Daher ist ein wiederverwendbarer Raketenentwurf, der Wasserstoff nutzt, sehr komplex und herausfordernd.Wasserstoffmotoren benötigen eine fortschrittliche Metallurgie, um diese Versprödung zu verhindern.
Methan (CH4) verursacht dieses Versprödungsproblem nicht.
Die Dichte von Wasserstoff beträgt 70 g/L.Im Gegensatz dazu beträgt die Dichte von Methan 422 g/L.Daher muss der Treibstofftank einer Wasserstoffrakete deutlich größer sein als der einer Methanrakete.Ein großer Panzer bedeutet eine schwerere Rakete.
Daher wäre eine mit Methan betriebene Rakete im Vergleich zu einer Wasserstoffrakete leichter.
Wasserstoff ist das kleinste Molekül auf der Erde.Es tritt leicht aus, vor allem durch die Schweißverbindungen der Kraftstofftanks.Daher ist außerordentliche Präzision erforderlich und es wird darauf geachtet, dass der Kraftstofftank auslaufsicher ist.
Bei Methan gibt es dieses Leckproblem nicht.
Wasserstoff ist im Vergleich zu Methan (CH4) auch teuer.
Wie wir sehen können, ist Wasserstoff zwar effizienter, hat aber viele Nachteile.
Daher benötigt SpaceX ein Raketentriebwerk, bei dem diese Probleme nicht auftreten.
Als SpaceX mit der Entwicklung eines Triebwerks begann, wollte es kein Risiko eingehen, einen völlig neuen Triebwerkstyp zu entwickeln, den niemand entwickelt hatte.Deshalb entschieden sie sich, Kerosin (RP-1) für ihre Raketen der Falcon-Familie zu verwenden.Als sie mit ihrem Marlin-Motor erfolgreich waren, begannen sie mit der Forschung und Entwicklung für den mit Methan betriebenen Raptor.
Zusamenfassend,Flüssiges Methan (CH4) hat gegenüber flüssigem Wasserstoff mehrere Vorteile.Es ist einfacher zu lagern.Ein passives Kühlsystem reicht aus, um das Methan auf kryogener Temperatur zu halten, die deutlich dichter als Wasserstoff ist.Ein mit Methan betriebener Raketentreibstofftank ist kleiner und weniger sperrig.Aus diesem Grund verwendet SpaceX Methan und keinen Wasserstoff.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20. November 2023