De nieuwe Starship-raket van SpaceX maakt gebruik van de Raptor-motor.Vloeibaar methaan en zuurstof zijn de brandstof van deze motor.De Falcon 9 en Falcon gebruiken kerosine (RP-1) zwaar als brandstof.Bovendien wordt waterstof al lange tijd in verschillende raketten gebruikt.Maar SpaceX koos voor methaan voor hun Raptor.Geen enkele andere raket heeft ooit methaan als raketbrandstof gebruikt.
Het is omdat vloeibare waterstof extreme temperatuurbeheersing nodig heeft, gemakkelijk lekt, minder dicht is en dus een grotere brandstoftank vereist, duur in vergelijking met methaan, niet geschikt voor een herbruikbare raket en Mars-missie, geavanceerde metallurgie nodig heeft;Daarom verhoogt het de complexiteit en kosten van raketten.
Laten we het uitwerken.
SpaceX heeft de Raptor ontwikkeld.Het is een door methaan aangedreven motor met volledige verbrandingscyclus.De Raptor-motor is de allereerste in de geschiedenis, een motor met gefaseerde verbrandingscyclus met volledige stroom die ooit op een raket is gevlogen.Geen enkele raketmotor die methaan gebruikt, heeft ooit een baan om de aarde bereikt, behalve SpaceX-raketten.
Het Starship van SpaceX is een snel herbruikbare Mars-raket.De Falcon-raketten zijn niet volledig herbruikbaar.Hoewel de eerste trap van deze raket herbruikbaar is, is de bovenste trap dat niet.
Een ander probleem met de Falcon 9 en Falcon Heavy-raket is dat deze niet snel herbruikbaar zijn.Na elke vlucht heeft deze raket een uitgebreide opknapbeurt nodig voordat SpaceX hem weer kan gebruiken.De belangrijkste reden is dat de brandstof van de Falcon-raket kerosine (RP-1) is.De verbrande brandstof laat roet achter in de Merlin-motorruimte, waardoor het moeilijker wordt om deze opnieuw te gebruiken zonder uitgebreide reiniging.
Het Marsplan van SpaceX:
Zoals we eerder vermeldden, wil Elon Musk naar Mars.Het duurt ruim zes maanden voordat een ruimteschip Mars vanaf de aarde bereikt.De rondreis duurt 12 maanden.
We weten dat de atmosfeer van Mars CO2 bevat en dat er bevroren water in de grond zit.Op Mars kunnen we met behulp van deze hulpbronnen methaan (CH4) creëren.
Ten eerste kunnen we door middel van elektrolyse water (H2O) splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2).
2H2O = O2 + 2H2
Zuurstof en waterstof worden in aparte containers opgevangen.Mensen zullen de zuurstof gebruiken die bij deze stap wordt geproduceerd.
Bij de volgende stap zouden kooldioxide (CO2) en waterstof (H2) via een chemisch proces dat bekend staat als het Sabatier-proces, methaan (CH4) creëren.
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Het methaan (CH4) en water worden in aparte containers opgevangen.Het ruimteschip zal methaan (CH4) en zuurstof (O2) als brandstof gebruiken.De marsmannetjes kunnen het water (H2O) drinken dat bij deze stap wordt geproduceerd, of het gebruiken om zuurstof en waterstof te maken.
Astronauten gebruiken deze stappen al om zuurstof uit water te produceren en kooldioxide te elimineren in het Internationale Ruimtestation (ISS).Omdat dit proces is getest;daarom kunnen we het ook op Mars gebruiken.Het enige verschil is dat ISS methaan (CH4) vrijgeeft in de ruimte, terwijl we het op Mars in containers verzamelen als raketbrandstof.
In het hierboven beschreven proces kunnen we zowel methaan (CH4) als waterstof (H2) maken.
| Kerosine (RP-1) | Methaan | Waterstof | |
| Dikte | 813 g/l | 422 g/l | 70 g/l |
| Oxidatiemiddel versus brandstofverhouding | 2,7: 1 | 3,7: 1 | 6: 1 |
| Efficiëntie | 370s | 459s | 532s |
| Verbrandingstemp | 3670 K | 3550 K | 3070 K |
| Kookpunt | 490 K | 111 K | 20 K |
| Bijproducten van verbranding | CO2, H2O en zwart roet. | CO2 en H2O | H2O |
| Produceerbaar op Mars | No | Ja | Ja |
Bij raketten wordt de efficiëntie van een motor gemeten in specifieke impulsen (ISP).
Een vereenvoudigde vergelijking zou de MPG van ons benzinevoertuig zijn.Hoe hoger het MPG van een auto, hoe meer kilometers hij kan rijden op 1 gallon benzine, en hoe efficiënter hij is.
Laten we nu aannemen dat we 1 pond raketbrandstof hebben.Het kan kerosine (RP-1), methaan (CH4) of waterstof (H2) zijn.
ISP wordt gemeten in seconden.Het is de maat voor hoeveel seconden de motor kan duwen met een kracht van 9,8 Newton met een vaste hoeveelheid brandstof.Hoe hoger hij kan duwen met 9,8 Newton met dezelfde hoeveelheid brandstof, hoe hoger de efficiëntie of ISP.
Als we één raketmotor hebben met 100s ISP en een andere met 150s ISP, dan is de tweede motor met 150s ISP efficiënter omdat deze meer werk kan doen met dezelfde hoeveelheid brandstof.
Uit de bovenstaande tabel kunnen we zien dat waterstof efficiënt is vergeleken met methaan.Waterstof heeft echter verschillende problemen.
SpaceX wil dat hun raket eenvoudig, goedkoop en betrouwbaar is.Volgens Elon Musk: “het beste deel is geen deel;het beste proces is geen proces.”
Hoewel waterstof efficiënt is in vergelijking met andere raketbrandstoffen, voegt het complexiteit toe aan raketmotoren en raketontwerp.
Waterstof is een cryogene vloeistof.Het smeltpunt is -259 ° C of -435 ° F en het kookpunt is -252 ° C of -423 ° F.Waterstof moet bij extreem lage temperaturen worden opgeslagen om het in vloeibare vorm te houden.Daarom heeft een waterstofraket isolatie rond tanks nodig, waardoor het raketgewicht, de productiecomplexiteit en de kosten toenemen.
Bovendien ontstaan er andere problemen vanwege het lage kookpunt van waterstof.
Tijdens een lange reis naar de maan en Mars zal de waterstof verdampen en verdampen.Bovendien zal de gegenereerde hitte tijdens de terugkeer van het ruimteschip op aarde een aanzienlijke technische uitdaging veroorzaken om waterstof vloeibaar te houden in de brandstoftank.
Methaan kent deze problemen echter niet.
Waterstofverbrossing is een ernstig probleem.Wanneer metaal in contact komt met cryogene waterstof, wordt het metaal bros.Daarom is een herbruikbaar raketontwerp dat gebruik maakt van waterstof zeer complex en uitdagend.Waterstofmotoren hebben geavanceerde metallurgie nodig om deze verbrossing te voorkomen.
Methaan (CH4) veroorzaakt dit verbrossingsprobleem niet.
De dichtheid van waterstof is 70 g/l.De dichtheid van methaan is daarentegen 422 g/l.Als gevolg hiervan moet de brandstoftank van een waterstofraket aanzienlijk groter zijn dan die van een door methaan aangedreven raket.Een grote tank betekent een zwaardere raket.
Daarom zou een door methaan aangedreven raket lichter zijn vergeleken met een waterstofraket.
Waterstof is het kleinste molecuul op aarde.Het lekt gemakkelijk, voornamelijk via de lasverbindingen van de brandstoftanks.Daarom is er buitengewone precisie en zorg nodig om de brandstoftank lekvrij te maken.
Methaan heeft dit lekprobleem niet.
Waterstof is ook duur in vergelijking met methaan (CH4).
Zoals we kunnen zien, heeft waterstof, hoewel het efficiënter is, veel nadelen.
Daarom heeft SpaceX een raketmotor nodig die deze problemen niet kent.
Toen ze voor het eerst begonnen met het ontwerpen van een motor, wilde SpaceX geen enkel risico nemen door een compleet nieuw type motor te creëren dat niemand had ontwikkeld.Daarom besloten ze Kerosine (RP-1) te gebruiken voor hun Falcon-familieraketten.Toen ze succesvol waren met hun Marlin-motor, begonnen ze met hun R&D voor de door methaan aangedreven Raptor.
In het kort,Vloeibaar methaan (CH4) heeft verschillende voordelen ten opzichte van vloeibare waterstof.Het is gemakkelijker op te bergen.Een passief koelsysteem is voldoende om het methaan op een cryogene temperatuur te houden, aanzienlijk dichter dan waterstof.Een door methaan aangedreven raketbrandstoftank is kleiner en minder omvangrijk.Daarom gebruikt SpaceX methaan en geen waterstof.
Posttijd: 20 november 2023