O novo foguete Starship da SpaceX usa o motor Raptor.Metano líquido e oxigênio são o combustível deste motor.O Falcon 9 e o Falcon usam querosene (RP-1) como combustível.Além disso, há muito tempo, o hidrogênio tem sido usado em vários foguetes.Mas a SpaceX escolheu o metano para seu Raptor.Nenhum outro foguete jamais usou metano como combustível de foguete.
É porque o Hidrogênio líquido precisa de controle extremo de temperatura, vaza facilmente, é menos denso, portanto requer um tanque de combustível maior, caro comparado ao Metano, não é adequado para um foguete reutilizável e missão a Marte, precisa de metalurgia avançada;portanto, aumenta a complexidade e o custo do foguete.
Vamos elaborar.
A SpaceX desenvolveu o Raptor.É um motor de ciclo de combustão escalonado de fluxo total movido a metano.O motor Raptor é o primeiro na história, um motor de ciclo de combustão escalonado de fluxo total já voado em um foguete.Nenhum motor de foguete que usa metano jamais alcançou a órbita, exceto os foguetes SpaceX.
A Starship da SpaceX é um foguete de Marte rapidamente reutilizável.Os foguetes Falcon não são totalmente reutilizáveis.Embora o primeiro estágio deste foguete seja reutilizável, o estágio superior não é.
Outro problema com os foguetes Falcon 9 e Falcon Heavy é que eles não são reutilizáveis rapidamente.Após cada voo, este foguete precisa de uma extensa reforma antes que a SpaceX possa usá-lo novamente.A principal razão é que o combustível do foguete Falcon é o querosene (RP-1).O combustível queimado deixa fuligem no compartimento do motor Merlin, dificultando sua reutilização sem uma limpeza extensa.
Plano de Marte da SpaceX:
Como mencionamos anteriormente, Elon Musk quer ir a Marte.Uma nave espacial levará mais de 6 meses para chegar a Marte vindo da Terra.A viagem de ida e volta é de 12 meses.
Sabemos que a atmosfera de Marte contém CO2 e água congelada no solo.Em Marte, podemos criar Metano (CH4) utilizando estes recursos.
Primeiro, através da eletrólise, podemos dividir a água (H2O) em Hidrogênio (H2) e Oxigênio (O2).
2H2O = O2 + 2H2
O oxigênio e o hidrogênio serão coletados em recipientes separados.Os humanos usarão o oxigênio produzido nesta etapa.
Na próxima etapa, por meio de um processo químico conhecido como processo Sabatier, o dióxido de carbono (CO2) e o hidrogênio (H2) criariam o metano (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
O Metano (CH4) e a água serão coletados em recipientes separados.A Starship usará metano (CH4) e oxigênio (O2) como combustível.Os marcianos podem beber a água (H2O) produzida nesta etapa ou usá-la para produzir oxigênio e hidrogênio.
Os astronautas já utilizam essas etapas para produzir oxigênio a partir da água e eliminar o dióxido de carbono na Estação Espacial Internacional (ISS).Como este processo foi testado;portanto, também podemos usá-lo em Marte.A única diferença é que a ISS libera metano (CH4) no espaço sideral, enquanto em Marte o coletaremos em contêineres como combustível de foguete.
No processo descrito acima, podemos produzir Metano (CH4) e Hidrogênio (H2).
| Querosene (RP-1) | Metano | Hidrogênio | |
| Densidade | 813g/L | 422g/L | 70g/L |
| Relação oxidante vs. combustível | 2,7: 1 | 3,7: 1 | 6: 1 |
| Eficiência | década de 370 | 459 | 532s |
| Temperatura de combustão | 3670K | 3550K | 3070K |
| Ponto de ebulição | 490K | 111 mil | 20 mil |
| Subprodutos de Combustão | CO2, H2O e fuligem preta. | CO2 e H2O | H2O |
| Fabricável em Marte | No | Sim | Sim |
Nos foguetes, a eficiência de um motor é medida em impulso específico (ISP).
Uma comparação simplificada seria o MPG do nosso veículo movido a gasolina.Quanto maior o MPG de um carro, mais quilometragem ele pode percorrer com 1 galão de gasolina e mais eficiente ele é.
Agora, vamos supor que temos 1 libra de combustível de foguete.Pode ser querosene (RP-1), metano (CH4) ou hidrogênio (H2).
O ISP é medido em segundos.É a medida de quantos segundos o motor pode empurrar com 9,8 newtons de força com uma quantidade fixa de combustível.Quanto mais alto ele puder empurrar com 9,8 newtons com a mesma quantidade de combustível, maior será a eficiência ou ISP.
Se tivermos um motor de foguete com ISP de 100s e outro com ISP de 150s, então o segundo motor com ISP de 150s é mais eficiente porque pode realizar mais trabalho com a mesma quantidade de combustível.
Na tabela acima, podemos ver que o Hidrogênio é eficiente em comparação ao Metano.No entanto, o Hidrogênio tem vários problemas.
A SpaceX quer que seu foguete seja simples, barato e confiável.De acordo com Elon Musk, “a melhor parte não é parte;o melhor processo é nenhum processo.”
Embora o hidrogênio seja eficiente em comparação com outros propulsores de foguetes, ele adiciona complexidade aos motores e ao projeto dos foguetes.
O hidrogênio é um fluido criogênico.Seu ponto de fusão é -259° C ou -435°F, e seu ponto de ebulição é -252°C ou -423°F.O hidrogênio precisa ser armazenado em temperaturas extremamente baixas para mantê-lo na forma líquida.Por causa disso, um foguete de hidrogênio precisa de isolamento ao redor dos tanques, aumentando assim o peso do foguete, a complexidade da produção e o custo.
Além disso, surgem outros problemas devido ao baixo ponto de ebulição do Hidrogénio.
Numa longa viagem à Lua e a Marte, o hidrogénio irá ferver e evaporar.Além disso, durante a reentrada da nave estelar na Terra, o calor gerado causará um desafio técnico significativo para manter o hidrogênio liquefeito no tanque de combustível.
No entanto, o metano não apresenta esses problemas.
A fragilização por hidrogênio é um problema sério.Quando o metal entra em contato com o hidrogênio criogênico, o metal se torna quebradiço.Portanto, um projeto de foguete reutilizável que utiliza hidrogênio é muito complexo e desafiador.Os motores a hidrogênio precisam de metalurgia avançada para evitar essa fragilização.
O metano (CH4) não cria esse problema de fragilização.
A densidade do hidrogênio é 70 g/L.Em contraste, a densidade do metano é 422 g/L.Como resultado, o tanque de combustível de um foguete a hidrogênio precisa ser significativamente maior do que um foguete movido a metano.Um tanque grande significa um foguete mais pesado.
Portanto, um foguete movido a metano seria mais leve em comparação com um foguete a hidrogênio.
O hidrogênio é a menor molécula da Terra.Ele vaza facilmente, principalmente através das juntas soldadas dos tanques de combustível.Portanto, é necessária uma precisão e cuidados extraordinários para tornar o tanque de combustível à prova de vazamentos.
O metano não tem esse problema de vazamento.
O hidrogênio também é caro em comparação ao metano (CH4).
Como podemos ver, embora o Hidrogénio seja mais eficiente, tem muitas desvantagens.
Portanto, a SpaceX precisa de um motor de foguete que não apresente esses problemas.
Quando começaram a projetar um motor, a SpaceX não queria correr nenhum risco de criar um tipo de motor completamente novo que ninguém desenvolveu.Portanto, eles decidiram usar querosene (RP-1) para os foguetes da família Falcon.Quando obtiveram sucesso com seu motor Marlin, eles iniciaram sua pesquisa e desenvolvimento para o Raptor movido a metano.
Resumidamente,O metano líquido (CH4) tem vários benefícios em relação ao hidrogênio líquido.É mais fácil de armazenar.Um sistema de resfriamento passivo é suficiente para manter o Metano em temperatura criogênica, significativamente mais densa que o Hidrogênio.Um tanque de combustível de foguete movido a metano é menor e menos volumoso.É por isso que a SpaceX usa metano e não usa hidrogênio.
Horário da postagem: 20 de novembro de 2023