Il nuovo razzo Starship di SpaceX utilizza il motore Raptor.Metano liquido e ossigeno sono il carburante di questo motore.Il Falcon 9 e il Falcon pesante utilizzano cherosene (RP-1) come carburante.Inoltre, per molto tempo, l'idrogeno è stato utilizzato in vari razzi.Ma SpaceX ha scelto il metano per il suo Raptor.Nessun altro razzo ha mai utilizzato il metano come carburante per missili.
È perché l'idrogeno liquido necessita di un controllo estremo della temperatura, perde facilmente, è meno denso, quindi richiede un serbatoio di carburante più grande, costoso rispetto al metano, non adatto per un razzo riutilizzabile e per la missione su Marte, necessita di metallurgia avanzata;quindi, aumenta la complessità e il costo del razzo.
Elaboriamo.
SpaceX ha sviluppato il Raptor.È un motore a ciclo di combustione a fasi a flusso totale alimentato a metano.Il motore Raptor è il primo nella storia, un motore a ciclo di combustione a fasi a flusso pieno mai volato su un razzo.Nessun motore a razzo che utilizza metano ha mai raggiunto l’orbita, ad eccezione dei razzi SpaceX.
L'astronave di SpaceX è un razzo marziano rapidamente riutilizzabile.I razzi Falcon non sono completamente riutilizzabili.Mentre il primo stadio di questo razzo è riutilizzabile, lo stadio superiore non lo è.
Un altro problema con il Falcon 9 e il razzo Falcon Heavy è che non sono rapidamente riutilizzabili.Dopo ogni volo, questo razzo necessita di un'ampia ristrutturazione prima che SpaceX possa utilizzarlo nuovamente.Il motivo principale è che il carburante del razzo Falcon è il cherosene (RP-1).Il carburante bruciato lascia fuliggine nel vano motore del Merlin, rendendone più difficile il riutilizzo senza una pulizia approfondita.
Il piano su Marte di SpaceX:
Come accennato in precedenza, Elon Musk vuole andare su Marte.Un'astronave impiegherà più di 6 mesi per raggiungere Marte dalla Terra.Il viaggio di andata e ritorno dura 12 mesi.
Sappiamo che l'atmosfera di Marte contiene CO2 e acqua ghiacciata nel terreno.Su Marte possiamo creare metano (CH4) utilizzando queste risorse.
Innanzitutto, attraverso l'elettrolisi, possiamo dividere l'acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2).
2H2O = O2 + 2H2
L'ossigeno e l'idrogeno verranno raccolti in contenitori separati.Gli esseri umani utilizzeranno l'ossigeno prodotto in questa fase.
Nella fase successiva, attraverso un processo chimico noto come processo Sabatier, l’anidride carbonica (CO2) e l’idrogeno (H2) creerebbero metano (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Il metano (CH4) e l'acqua verranno raccolti in contenitori separati.L'astronave utilizzerà metano (CH4) e ossigeno (O2) come carburante.I marziani possono bere l'acqua (H2O) prodotta in questa fase o usarla per produrre ossigeno e idrogeno.
Gli astronauti utilizzano già questi passaggi per produrre ossigeno dall'acqua ed eliminare l'anidride carbonica presso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS).Poiché questo processo è stato testato;quindi potremo usarlo anche su Marte.L'unica differenza è che la ISS rilascia metano (CH4) nello spazio, mentre su Marte lo raccoglieremo in contenitori come carburante per missili.
Nel processo sopra descritto possiamo produrre sia metano (CH4) che idrogeno (H2).
| Cherosene (RP-1) | Metano | Idrogeno | |
| Densità | 813 g/litro | 422 g/l | 70 g/l |
| Rapporto ossidante/carburante | 2.7:1 | 3.7: 1 | 6:1 |
| Efficienza | 370 | 459 | 532 |
| Temp. di combustione | 3670K | 3550K | 3070K |
| Punto di ebollizione | 490K | 111K | 20K |
| Sottoprodotti della combustione | CO2, H2O e fuliggine nera. | CO2 e H2O | H2O |
| Producibile su Marte | No | SÌ | SÌ |
Nella missilistica, l'efficienza di un motore viene misurata in impulso specifico (ISP).
Un confronto semplificato sarebbe il MPG del nostro veicolo a benzina.Più alto è il MPG di un'auto, maggiore è il chilometraggio che può percorrere con 1 litro di gas e più è efficiente.
Ora, supponiamo di avere 1 libbra di carburante per missili.Potrebbe essere cherosene (RP-1), metano (CH4) o idrogeno (H2).
L'ISP viene misurato in secondi.È la misura per quanti secondi il motore può spingere con 9,8 newton di forza con una quantità fissa di carburante.Più in alto può spingere con 9,8 newton con la stessa quantità di carburante, maggiore è l'efficienza o l'ISP.
Se abbiamo un motore a razzo con ISP di 100 e un altro con ISP di 150, il secondo motore con ISP di 150 è più efficiente perché può svolgere più lavoro con la stessa quantità di carburante.
Dalla tabella sopra possiamo vedere che l'idrogeno è efficiente rispetto al metano.Tuttavia, l’idrogeno presenta diversi problemi.
SpaceX vuole che il suo razzo sia semplice, economico e affidabile.Secondo Elon Musk, “la parte migliore non è parte;il miglior processo è non-processo”.
Sebbene l’idrogeno sia efficiente rispetto ad altri propellenti per razzi, aggiunge complessità ai motori a razzo e alla progettazione dei razzi.
L'idrogeno è un fluido criogenico.Il suo punto di fusione è -259° C o -435° F e il suo punto di ebollizione è -252° C o -423° F.L’idrogeno deve essere immagazzinato a temperature estremamente fredde per mantenerlo in forma liquida.Per questo motivo, un razzo a idrogeno necessita di isolamento attorno ai serbatoi, aumentando così il peso del razzo, la complessità della produzione e i costi.
Inoltre, sorgono altri problemi a causa del basso punto di ebollizione dell'idrogeno.
Durante un lungo viaggio sulla Luna e su Marte, l'idrogeno bolle ed evapora.Inoltre, durante il rientro dell'Astronave sulla terra, il calore generato causerà una sfida tecnica significativa per mantenere l'idrogeno liquefatto nel serbatoio del carburante.
Il Metano però non presenta questi problemi.
L’infragilimento da idrogeno è un problema serio.Quando il metallo entra in contatto con l'idrogeno criogenico, diventa fragile.Pertanto, il progetto di un razzo riutilizzabile che utilizzi l’idrogeno è molto complesso e impegnativo.I motori a idrogeno necessitano di una metallurgia avanzata per prevenire questo infragilimento.
Il metano (CH4) non crea questo problema di infragilimento.
La densità dell'idrogeno è 70 g/L.Al contrario, la densità del Metano è di 422 g/L.Di conseguenza, il serbatoio del carburante di un razzo a idrogeno deve essere significativamente più grande di un razzo alimentato a metano.Un grande carro armato significa un razzo più pesante.
Pertanto, un razzo alimentato a metano sarebbe più leggero rispetto a un razzo a idrogeno.
L’idrogeno è la molecola più piccola sulla terra.Perde facilmente, principalmente attraverso i giunti saldati dei serbatoi del carburante.Pertanto, sono necessarie precisione e attenzione straordinarie per rendere il serbatoio del carburante a prova di perdite.
Il metano non ha questo problema di perdite.
Anche l’idrogeno è costoso rispetto al metano (CH4).
Come possiamo vedere, sebbene l’idrogeno sia più efficiente, presenta molti inconvenienti.
Pertanto, SpaceX ha bisogno di un motore a razzo che non presenti questi problemi.
Quando hanno iniziato a progettare un motore, SpaceX non ha voluto correre il rischio di creare un tipo di motore completamente nuovo che nessuno aveva sviluppato.Pertanto, hanno deciso di utilizzare il cherosene (RP-1) per i razzi della famiglia Falcon.Quando hanno avuto successo con il loro motore Marlin, hanno iniziato la ricerca e sviluppo per il Raptor alimentato a metano.
In breve,Il metano liquido (CH4) presenta numerosi vantaggi rispetto all’idrogeno liquido.È più facile da conservare.È sufficiente un sistema di raffreddamento passivo per mantenere il Metano a temperatura criogenica, significativamente più denso dell’Idrogeno.Un serbatoio di carburante per razzi alimentato a metano è più piccolo e meno ingombrante.È per questo che SpaceX utilizza il metano e non l'idrogeno.
Orario di pubblicazione: 20 novembre 2023