SpaceX'in yeni Starship roketi Raptor motorunu kullanıyor.Sıvı Metan ve Oksijen bu motorun yakıtıdır.Falcon 9 ve Falcon, yakıt olarak yoğun şekilde gazyağı (RP-1) kullanıyor.Üstelik uzun süredir çeşitli roketlerde hidrojen kullanılıyor.Ancak SpaceX, Raptor'u için Metan'ı seçti.Başka hiçbir roket Metanı roket yakıtı olarak kullanmadı.
Bunun nedeni, sıvı Hidrojenin aşırı sıcaklık kontrolüne ihtiyaç duyması, kolayca sızdırması, daha az yoğun olması, dolayısıyla daha büyük bir yakıt deposu gerektirmesi, Metana kıyasla pahalı olması, yeniden kullanılabilir bir roket ve Mars görevi için uygun olmaması, ileri metalurjiye ihtiyaç duymasıdır;dolayısıyla roket karmaşıklığını ve maliyetini artırır.
Detaylandıralım.
SpaceX Raptor'u geliştirdi.Metanla çalışan, tam akışlı, kademeli yanma çevrimli bir motordur.Raptor motoru, tarihte bir roket üzerinde uçan ilk, tam akışlı, aşamalı yanma çevrimli motordur.SpaceX roketleri dışında Metan kullanan hiçbir roket motoru yörüngeye ulaşamadı.
SpaceX'in Starship'i hızla yeniden kullanılabilen bir Mars roketidir.Falcon roketleri tamamen tekrar kullanılamaz.Bu roketin ilk aşaması tekrar kullanılabilirken, üst aşaması tekrar kullanılamıyor.
Falcon 9 ve Falcon Heavy roketiyle ilgili bir diğer sorun da hızlı bir şekilde yeniden kullanılamamasıdır.Her uçuştan sonra bu roketin SpaceX'in tekrar kullanabilmesi için kapsamlı bir yenilemeye ihtiyacı var.Bunun başlıca nedeni Falcon roketinin yakıtının Gazyağı (RP-1) olmasıdır.Yanmış yakıt, Merlin motor bölmesinde kurum bırakarak, kapsamlı temizlik yapılmadan yeniden kullanılmasını zorlaştırır.
SpaceX'in Mars Planı:
Daha önce de belirttiğimiz gibi Elon Musk Mars'a gitmek istiyor.Bir uzay gemisinin Dünya'dan Mars'a ulaşması 6 aydan fazla zaman alacak.Gidiş dönüş 12 aydır.
Mars atmosferinin CO2 içerdiğini ve yer altında donmuş su bulunduğunu biliyoruz.Mars'ta bu kaynakları kullanarak Metan (CH4) oluşturabiliriz.
İlk olarak elektroliz yoluyla suyu (H2O) Hidrojen (H2) ve Oksijene (O2) ayırabiliriz.
2H2O = O2 + 2H2
Oksijen ve Hidrojen ayrı kaplarda toplanacak.İnsanlar bu adımda üretilen Oksijeni kullanacaktır.
Bir sonraki adımda Sabatier süreci olarak bilinen kimyasal bir süreç aracılığıyla Karbondioksit (CO2) ve Hidrojen (H2), Metanı (CH4) oluşturacaktır.
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Metan (CH4) ve su ayrı kaplarda toplanacaktır.Starship yakıt olarak Metan (CH4) ve Oksijen (O2) kullanacak.Marslılar bu aşamada üretilen suyu (H2O) içebilir veya Oksijen ve Hidrojen yapmak için kullanabilirler.
Astronotlar, Uluslararası Uzay İstasyonunda (ISS) sudan Oksijen üretmek ve Karbon Dioksiti ortadan kaldırmak için bu adımları zaten kullanıyor.Bu süreç test edildiğinden;dolayısıyla bunu Mars'ta da kullanabiliriz.Tek fark, ISS Metanı (CH4) uzaya salıyor, Mars'ta ise bunu roket yakıtı olarak konteynerlere toplayacağız.
Yukarıda anlatılan süreçte hem Metanı (CH4) hem de Hidrojeni (H2) üretebiliriz.
| Gazyağı (RP-1) | Metan | Hidrojen | |
| Yoğunluk | 813 gr/l | 422 g/L | 70 gram/L |
| Oksitleyici ve Yakıt Oranı | 2.7 : 1 | 3.7 : 1 | 6 : 1 |
| Yeterlik | 370'ler | 459'lar | 532'ler |
| Yanma Sıcaklığı | 3670 bin | 3550 bin | 3070 bin |
| Kaynama noktası | 490 bin | 111 bin | 20 bin |
| Yanma Yan Ürünleri | CO2, H2O ve siyah kurum. | CO2 ve H2O | H2O |
| Mars'ta üretilebilir | No | Evet | Evet |
Roketçilikte bir motorun verimliliği belirli itici güç (ISP) ile ölçülür.
Basitleştirilmiş bir karşılaştırma, benzinle çalışan aracımızın MPG'si olacaktır.Bir arabanın MPG'si ne kadar yüksek olursa, 1 galon gazla o kadar fazla kilometre kat edebilir ve o kadar verimli olur.
Şimdi 1 lb roket yakıtımız olduğunu varsayalım.Gazyağı (RP-1), Metan (CH4) veya Hidrojen (H2) olabilir.
ISP saniyelerle ölçülür.Motorun sabit miktardaki yakıtla 9,8 Newton kuvvetle kaç saniyede itebildiğinin ölçüsüdür.Aynı miktarda yakıtla 9,8 Newton ile ne kadar yükseğe itebilirse, verimlilik veya ISP de o kadar yüksek olur.
Eğer 100s ISP'ye sahip bir roket motorumuz ve 150s ISP'ye sahip bir roket motorumuz varsa, o zaman 150s ISP'ye sahip ikinci motor daha verimli olur çünkü aynı miktarda yakıtla daha fazla iş yapabilir.
Yukarıdaki tablodan Hidrojenin Metana göre verimli olduğunu görebiliriz.Ancak Hidrojenin birkaç sorunu var.
SpaceX roketlerinin basit, ucuz ve güvenilir olmasını istiyor.Elon Musk'a göre "en iyi kısım hiçbir kısım değildir;En iyi süreç hiç süreç olmamasıdır.”
Hidrojen diğer roket yakıtlarıyla karşılaştırıldığında verimli olmasına rağmen roket motorlarına ve roket tasarımına karmaşıklık katar.
Hidrojen kriyojenik bir sıvıdır.Erime noktası -259°C veya -435°F, kaynama noktası -252°C veya -423°F'dir.Hidrojenin sıvı halde kalması için aşırı soğuk sıcaklıklarda depolanması gerekir.Bu nedenle, bir hidrojen roketinin tankların etrafında izolasyona ihtiyacı vardır, bu da roket ağırlığını, üretim karmaşıklığını ve maliyetini artırır.
Ayrıca Hidrojenin kaynama noktasının düşük olması nedeniyle başka sorunlar da ortaya çıkar.
Ay ve Mars'a yapılacak uzun bir yolculukta Hidrojen kaynayacak ve buharlaşacaktır.Dahası, Starship'in Dünya'ya yeniden girişi sırasında ortaya çıkan ısı, Hidrojenin yakıt deposunda sıvı halde tutulması konusunda önemli bir teknik zorluğa neden olacaktır.
Ancak metanın bu sorunları yoktur.
Hidrojenin kırılganlaşması ciddi bir sorundur.Metal kriyojenik Hidrojen ile temas ettiğinde metal kırılgan hale gelir.Bu nedenle Hidrojen kullanan yeniden kullanılabilir bir roket tasarımı oldukça karmaşık ve zorludur.Hidrojen motorları bu gevrekleşmeyi önlemek için gelişmiş metalurjiye ihtiyaç duyar.
Metan (CH4) bu kırılganlık sorununu yaratmaz.
Hidrojenin yoğunluğu 70 g/L'dir.Buna karşılık Metanın yoğunluğu 422 g/L'dir.Sonuç olarak, bir hidrojen roketinin yakıt deposunun Metanla çalışan bir roketten önemli ölçüde daha büyük olması gerekir.Büyük bir tank daha ağır bir roket anlamına gelir.
Bu nedenle Metanla çalışan bir roket, Hidrojen roketine kıyasla daha hafif olacaktır.
Hidrojen dünyadaki en küçük moleküldür.Özellikle yakıt depolarının kaynaklı bağlantılarından kolayca sızar.Bu nedenle olağanüstü bir hassasiyet gerektirir ve yakıt deposunun sızdırmaz olmasına özen gösterir.
Metanın bu sızıntı sorunu yoktur.
Hidrojen ayrıca Metan (CH4) ile karşılaştırıldığında pahalıdır.
Görüldüğü gibi Hidrojen daha verimli olmasına rağmen pek çok dezavantajı bulunmaktadır.
Dolayısıyla SpaceX'in bu sorunları olmayan bir roket motoruna ihtiyacı var.
SpaceX, bir motor tasarlamaya ilk başladıklarında, hiç kimsenin geliştirmediği tamamen yeni bir motor türü yaratma riskini almak istemedi.Bu nedenle Falcon ailesi roketlerinde Gazyağı (RP-1) kullanmaya karar verdiler.Marlin motoruyla başarılı olunca Metanla çalışan Raptor için Ar-Ge çalışmalarına başladılar.
Kısacası,Sıvı Metanın (CH4) sıvı Hidrojene göre birçok avantajı vardır.Saklanması daha kolaydır.Pasif bir soğutma sistemi, Metanı Hidrojenden önemli ölçüde daha yoğun olan kriyojenik sıcaklıkta tutmak için yeterlidir.Metanla çalışan roket yakıt tankı daha küçük ve daha az hacimlidir.SpaceX'in Metan kullanmasının ve Hidrojen kullanmamasının nedeni budur.
Gönderim zamanı: 20 Kasım 2023