SpaceX의 새로운 Starship 로켓은 Raptor 엔진을 사용합니다.액체 메탄과 산소가 이 엔진의 연료입니다.Falcon 9과 Falcon은 등유(RP-1)를 연료로 많이 사용합니다.또한, 수소는 오랫동안 다양한 로켓에 사용되어 왔습니다.그러나 SpaceX는 랩터로 메탄을 선택했습니다.다른 어떤 로켓도 메탄을 로켓 연료로 사용한 적이 없습니다.
액체 수소는 극단적인 온도 제어가 필요하고, 쉽게 누출되고, 밀도가 낮기 때문에 더 큰 연료 탱크가 필요하고 메탄에 비해 비싸며 재사용 가능한 로켓과 화성 임무에는 적합하지 않으며 고급 야금이 필요하기 때문입니다.따라서 로켓 복잡성과 비용이 증가합니다.
자세히 설명해보자.
SpaceX는 랩터를 개발했습니다.이는 메탄으로 구동되는 완전 흐름 단계 연소 사이클 엔진입니다.Raptor 엔진은 역사상 최초의 완전 흐름 단계 연소 사이클 엔진으로 로켓을 타고 비행했습니다.SpaceX 로켓을 제외하고는 메탄을 사용하는 로켓 엔진이 궤도에 도달한 적이 없습니다.
SpaceX의 Starship은 빠르게 재사용이 가능한 화성 로켓입니다.팔콘 로켓은 완전히 재사용할 수 없습니다.이 로켓의 첫 번째 단계는 재사용이 가능하지만 상단 단계는 재사용이 가능하지 않습니다.
Falcon 9과 Falcon Heavy 로켓의 또 다른 문제점은 빠르게 재사용할 수 없다는 것입니다.매 비행 후 이 로켓을 SpaceX가 다시 사용하려면 대대적인 보수 작업이 필요합니다.주된 이유는 팔콘 로켓의 연료가 등유(RP-1)이기 때문이다.연소된 연료는 Merlin 엔진실에 그을음을 남기므로 대대적인 청소 없이는 재사용하기가 더 어렵습니다.
SpaceX의 화성 계획:
앞서 언급했듯이 Elon Musk는 화성에 가고 싶어합니다.우주선이 지구에서 화성까지 도달하는 데는 6개월 이상이 소요됩니다.왕복은 12개월입니다.
우리는 화성 대기에 CO2가 있고 땅에 물이 얼었다는 것을 알고 있습니다.화성에서는 이러한 자원을 사용하여 메탄(CH4)을 생성할 수 있습니다.
첫째, 전기분해를 통해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분리할 수 있습니다.
2H2O = O2 + 2H2
산소와 수소는 별도의 용기에 수집됩니다.인간은 이 단계에서 생산된 산소를 사용합니다.
다음 단계에서는 Sabatier 공정으로 알려진 화학 공정을 통해 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)가 메탄(CH4)을 생성합니다.
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
메탄(CH4)과 물은 별도의 용기에 수집됩니다.우주선은 메탄(CH4)과 산소(O2)를 연료로 사용합니다.화성인들은 이 단계에서 생성된 물(H2O)을 마시거나 이를 이용해 산소와 수소를 만들 수 있다.
우주 비행사는 이미 국제 우주 정거장(ISS)에서 물에서 산소를 생성하고 이산화탄소를 제거하기 위해 이러한 단계를 사용하고 있습니다.이 프로세스는 테스트를 거쳤습니다.그러므로 화성에서도 사용할 수 있습니다.유일한 차이점은 ISS가 메탄(CH4)을 우주 공간으로 방출하는 반면, 화성에서는 이를 로켓 연료로 컨테이너에 수집한다는 것입니다.
위에서 설명한 과정에서 메탄(CH4)과 수소(H2)를 모두 만들 수 있습니다.
| 등유(RP-1) | 메탄 | 수소 | |
| 밀도 | 813g/L | 422g/L | 70g/L |
| 산화제 대 연료 비율 | 2.7 : 1 | 3.7 : 1 | 6:1 |
| 능률 | 370년대 | 459초 | 532s |
| 연소온도 | 3670K | 3550K | 3070K |
| 비점 | 490K | 111K | 20K |
| 연소 부산물 | CO2, H2O 및 검은 그을음. | CO2와 H2O | H2O |
| 화성에서 제조 가능 | No | 예 | 예 |
로켓공학에서 엔진의 효율은 ISP(Specific Impulse)로 측정됩니다.
단순화된 비교는 휘발유 구동 차량의 MPG입니다.자동차의 MPG가 높을수록 1갤런의 휘발유로 더 많은 마일리지를 주행할 수 있으며 더 효율적입니다.
이제 1파운드의 로켓 연료가 있다고 가정해 봅시다.등유(RP-1), 메탄(CH4) 또는 수소(H2)가 될 수 있습니다.
ISP는 초 단위로 측정됩니다.고정된 연료량으로 엔진이 9.8뉴턴의 힘으로 몇 초 동안 움직일 수 있는지를 측정한 것입니다.동일한 양의 연료로 9.8뉴턴으로 더 높은 속도로 추진할 수 있을수록 효율성 또는 ISP가 더 높아집니다.
100s ISP를 가진 로켓 엔진 하나와 150s ISP를 가진 또 다른 로켓 엔진이 있다면, 150s ISP를 가진 두 번째 엔진은 같은 양의 연료로 더 많은 작업을 수행할 수 있기 때문에 더 효율적입니다.
위의 표를 보면 메탄에 비해 수소가 효율적이라는 것을 알 수 있습니다.그러나 수소에는 몇 가지 문제가 있습니다.
SpaceX는 로켓이 간단하고 저렴하며 신뢰할 수 있기를 원합니다.엘론 머스크에 따르면, “가장 좋은 부분은 부분이 아닙니다.최고의 프로세스는 프로세스가 없는 것입니다.”
수소는 다른 로켓 추진제에 비해 효율적이지만 로켓 엔진과 로켓 설계에 복잡성을 더합니다.
수소는 극저온 유체입니다.녹는점은 -259°C 또는 -435°F이고 끓는점은 -252°C 또는 -423°F입니다.수소를 액체 형태로 유지하려면 극저온에 보관해야 합니다.이 때문에 수소 로켓은 탱크 주변에 단열재가 필요하므로 로켓 무게, 생산 복잡성 및 비용이 증가합니다.
게다가 수소의 끓는점이 낮기 때문에 다른 문제도 발생합니다.
달과 화성으로의 장거리 여행에서 수소는 끓고 증발합니다.더욱이, 우주선이 지구에 재진입하는 동안 발생된 열은 연료 탱크에서 수소를 액화 상태로 유지하는 데 상당한 기술적 어려움을 초래할 것입니다.
그러나 메탄에는 이러한 문제가 없습니다.
수소 취성은 심각한 문제이다.금속이 극저온의 수소와 접촉하면 금속이 부서지기 쉽습니다.따라서 수소를 사용하는 재사용 가능한 로켓 설계는 매우 복잡하고 어렵습니다.수소 엔진은 이러한 취성을 방지하기 위해 고급 금속공학이 필요합니다.
메탄(CH4)은 이러한 취성 문제를 일으키지 않습니다.
수소의 밀도는 70g/L입니다.대조적으로, 메탄의 밀도는 422g/L입니다.결과적으로 수소 로켓의 연료 탱크는 메탄 추진 로켓보다 훨씬 더 커야 합니다.큰 탱크는 더 무거운 로켓을 의미합니다.
따라서 메탄 추진 로켓은 수소 로켓에 비해 가볍습니다.
수소는 지구상에서 가장 작은 분자입니다.주로 연료 탱크의 용접 조인트를 통해 쉽게 누출됩니다.따라서 연료탱크의 누수방지를 위해서는 특별한 정밀도와 세심한 배려가 필요합니다.
메탄에는 이러한 누출 문제가 없습니다.
수소는 메탄(CH4)에 비해 가격도 비싸다.
보시다시피, 수소는 더 효율적이지만 많은 단점이 있습니다.
따라서 SpaceX에는 이러한 문제가 없는 로켓 엔진이 필요합니다.
SpaceX는 처음 엔진 설계를 시작했을 때 아무도 개발하지 않은 완전히 새로운 유형의 엔진을 만드는 위험을 감수하고 싶지 않았습니다.따라서 그들은 Falcon 계열 로켓에 등유(RP-1)를 사용하기로 결정했습니다.Marlin 엔진으로 성공을 거둔 후 그들은 메탄 구동 Raptor에 대한 연구 개발을 시작했습니다.
즉,액체 메탄(CH4)은 액체 수소에 비해 여러 가지 이점을 가지고 있습니다.보관하기가 더 쉽습니다.수동 냉각 시스템은 메탄을 수소보다 훨씬 밀도가 높은 극저온으로 유지하는 데 충분합니다.메탄으로 구동되는 로켓 연료 탱크는 더 작고 부피가 작습니다.이것이 SpaceX가 메탄을 사용하고 수소를 사용하지 않는 이유입니다.
게시 시간: 2023년 11월 20일