SpaceX の新しい Starship ロケットは Raptor エンジンを使用しています。液体メタンと酸素がこのエンジンの燃料です。Falcon 9 と Falcon は燃料として灯油 (RP-1) を大量に使用します。さらに、水素は長い間、さまざまなロケットに使用されてきました。しかし、SpaceXはラプターにメタンを選択しました。メタンをロケット燃料として使用したロケットは他にありません。
それは、液体水素は極端な温度管理が必要で、漏れやすく、密度が低いため、より大きな燃料タンクが必要で、メタンに比べて高価で、再利用可能なロケットや火星ミッションには適しておらず、高度な冶金が必要であるためです。したがって、ロケットの複雑さとコストが増加します。
詳しく説明しましょう。
スペースXはラプターを開発した。これはメタンを動力とする全流量段階燃焼サイクル エンジンです。ラプター エンジンは、ロケットで飛行された史上初のフルフロー段階燃焼サイクル エンジンです。SpaceX ロケットを除いて、メタンを使用するロケット エンジンはこれまでに軌道に到達したことがありません。
SpaceX の Starship は、迅速に再利用可能な火星ロケットです。ファルコンロケットは完全に再利用可能ではありません。このロケットの最初の段は再利用可能ですが、上段は再利用できません。
Falcon 9 と Falcon Heavy ロケットのもう 1 つの問題は、すぐに再利用できないことです。このロケットは飛行するたびに、SpaceX が再び使用できるようになるまで大規模な改修が必要です。その主な理由は、ファルコンロケットの燃料がケロシン（RP-1）であることです。燃焼した燃料はマーリンのエンジン コンパートメントに煤を残し、大規模な清掃を行わないと燃料を再利用するのが困難になります。
SpaceX の火星計画:
先に述べたように、イーロン・マスクは火星に行きたいと考えています。宇宙船が地球から火星に到達するには6か月以上かかります。往復は12ヶ月です。
火星の大気には二酸化炭素が存在し、地中には凍った水があることがわかっています。火星では、これらの資源を使用してメタン (CH4) を生成できます。
まず、電気分解により、水 (H2O) を水素 (H2) と酸素 (O2) に分解します。
2H2O = O2 + 2H2
酸素と水素は別々の容器に収集されます。この段階で生成された酸素を人間が利用します。
次のステップでは、サバティエ プロセスとして知られる化学プロセスを通じて、二酸化炭素 (CO2) と水素 (H2) がメタン (CH4) を生成します。
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
メタン (CH4) と水は別の容器に収集されます。スターシップはメタン (CH4) と酸素 (O2) を燃料として使用します。火星人はこのステップで生成された水 (H2O) を飲んだり、それを使って酸素や水素を作ることができます。
宇宙飛行士はすでにこれらの手順を使用して、国際宇宙ステーション (ISS) で水から酸素を生成し、二酸化炭素を除去しています。このプロセスはテスト済みであるため、したがって、火星でも使用できます。唯一の違いは、ISS がメタン (CH4) を宇宙空間に放出するのに対し、火星ではそれをロケット燃料としてコンテナに収集することです。
上記のプロセスでは、メタン (CH4) と水素 (H2) の両方を作ることができます。
| 灯油(RP-1) | メタン | 水素 | |
| 密度 | 813g/L | 422g/L | 70g/L |
| 酸化剤と燃料の比率 | 2.7：1 | 3.7：1 | 6：1 |
| 効率 | 370年代 | 459秒 | 532秒 |
| 燃焼温度 | 3670K | 3550K | 3070K |
| 沸点 | 490K | 111K | 20K |
| 燃焼副産物 | CO2、H2O、黒いすす。 | CO2とH2O | H2O |
| 火星でも製造可能 | No | はい | はい |
ロケット工学では、エンジンの効率は比推力 (ISP) で測定されます。
単純化した比較としては、ガソリン車の MPG が挙げられます。車の MPG が高いほど、1 ガロンのガソリンで走行できる走行距離が長くなり、効率も高くなります。
さて、ロケット燃料が 1 ポンドあると仮定しましょう。灯油 (RP-1)、メタン (CH4)、または水素 (H2) である可能性があります。
ISP は秒単位で測定されます。これは、一定量の燃料でエンジンが 9.8 ニュートンの力で何秒間押すことができるかを測定します。同じ量の燃料で 9.8 ニュートンで押すことができるほど、効率または ISP が高くなります。
100 秒 ISP のロケット エンジンと 150 秒 ISP のロケット エンジンがある場合、150 秒 ISP の 2 番目のエンジンは、同じ量の燃料でより多くの仕事を実行できるため、より効率的です。
上の表から、水素はメタンに比べて効率的であることがわかります。しかし、水素にはいくつかの問題があります。
SpaceX は、自社のロケットをシンプルで、安価で、信頼性の高いものにしたいと考えています。イーロン・マスクによれば、「最良の部分は部分ではありません。最良のプロセスはプロセスを持たないことだ。」
水素は他のロケット推進剤に比べて効率的ですが、ロケット エンジンとロケットの設計が複雑になります。
水素は極低温の流体です。融点は-259°Cまたは-435°F、沸点は-252°Cまたは-423°Fです。水素を液体の状態に保つには、極低温で保管する必要があります。このため、水素ロケットではタンクの周囲に断熱材が必要となり、ロケットの重量、製造の複雑さ、コストが増加します。
さらに、水素の沸点が低いために、他の問題も発生します。
月や火星への長旅では、水素が沸騰して蒸発します。さらに、宇宙船の地球再突入中に発生する熱により、燃料タンク内で水素を液化状態に保つことが重大な技術的課題を引き起こすことになります。
しかし、メタンにはこうした問題はありません。
水素脆化は深刻な問題です。金属が極低温の水素と接触すると、金属は脆くなります。したがって、水素を使用する再利用可能なロケットの設計は非常に複雑で困難です。水素エンジンには、この脆化を防ぐために高度な冶金技術が必要です。
メタン (CH4) はこの脆化の問題を引き起こしません。
水素の密度は70g/Lです。対照的に、メタンの密度は 422 g/L です。その結果、水素ロケットの燃料タンクはメタン燃料ロケットよりも大幅に大きくする必要があります。大きなタンクはより重いロケットを意味します。
したがって、メタン燃料ロケットは水素ロケットに比べて軽量になります。
水素は地球上で最も小さな分子です。主に燃料タンクの溶接接合部から漏れやすくなります。そのため、非常に高い精度が必要であり、燃料タンクの漏れ防止にも細心の注意を払っています。
メタンにはこのような漏れの問題はありません。
水素はメタン (CH4) に比べて高価でもあります。
ご覧のとおり、水素はより効率的ですが、多くの欠点があります。
したがって、SpaceX はこれらの問題のないロケット エンジンを必要としています。
最初にエンジンの設計を始めたとき、SpaceX は誰も開発していないまったく新しいタイプのエンジンを作成するリスクを負いたくありませんでした。したがって、彼らはファルコンファミリーロケットに灯油（RP-1）を使用することに決めました。彼らはマーリンエンジンで成功を収めると、メタンを動力とするラプターの研究開発を開始しました。
要するに、液体メタン (CH4) には、液体水素に比べていくつかの利点があります。保管が簡単になります。パッシブ冷却システムは、水素よりもかなり密度の高いメタンを極低温に保つのに十分です。メタンを燃料とするロケット燃料タンクはより小さく、かさばりません。SpaceXが水素を使用せずにメタンを使用するのはそのためです。
投稿日時: 2023 年 11 月 20 日