Nejlepší odpověď
V různých raketách SpaceX se používají tři různá paliva.
- Původní Falcon-1 , Falcon-9 a Falcon-Heavy všichni používají motory „ Merlin „.
- Merlin používá chlazený RP-1 (což stojí pro „Rocket Propellant 1“ a je to v zásadě petrolej) s kapalným kyslíkem (LOX) jako oxidačním činidlem.
- Různé dračí kapsle používají „ Draco “ a „ SuperDraco “ motory.
- Drakovy použijte „hypergolické“ palivo, což znamená, že smícháte dvě chemikálie, které samy spontánně spalují – aniž byste potřebovali jakýkoli druh zdroje vznícení. Obě rakety používají monomethylhydrazin a oxid dusičitý . Při střelbě je výfuk velmi charakteristický jasně oranžovou barvou.
- StarShip a SuperHeavy používají motory „Raptor“ .
- Raptor používá kapalný metan (LCH4) jako palivo s kapalným kyslíkem ( LOX) jako oxidační činidlo (někdy se tomu říká „Methalox“).
PROČ PŘEPNOUT NA METHANE?
K přechodu z RP-1 na Methane dochází proto, že SpaceX chce letět StarShipem na Mars – a pokud to udělají, nebude na palubě dostatek prostoru pro uložení dostatečného množství paliva, aby se mohl dostat domů.
Na metanu je hezké to, že ho lze vyrábět z CO2 a vodíku – plus dobrou dodávku elektřiny. Atmosféra na Marsu je téměř veškerý CO2 a vodík lze získat elektrolýzou vody – což je docela dost jako ledu pod povrchem Marsu. Díky solární energii vyrábějící elektřinu – mohou přímo na Marsu vyrábět metan a kyslík.
V plánu je vyslat dronovou loď s továrnou na výrobu raketového paliva metalox. Pokud to pošlou pár let před prvními lidmi – mělo by to být dost paliva na to, aby první mise s posádkou natankovala palivo a vrátila se domů.
Odpovědět
Komu ušetřím vám spoustu rozpaků, budu mluvit o vodíku.
Vodík je palivo.
Voda obsahuje vodík, ale je vázána na kyslík.
Pokud vodík lze uvolnit z vody (procesem známým jako disociace ), můžete jej použít jako palivo. Ve skutečnosti musíte zajistit vodivost vody tím, že z ní uděláte elektrolyt; poměrně jednoduchý a levný proces.
Nepotřebujete ani kyslík z vody; v atmosféře je volně k dispozici dostatek kyslíku.
V jádru slibu vodíku jsou dvě klíčové vlastnosti.
Za prvé, jeho zásoby jsou prakticky neomezené. Jelikož se jedná o primární složka vody, ekonomická metoda její extrakce, je to jediné, co je potřeba k výrobě doslovných oceánů energie.
Zadruhé, spalování vodíku nepoškozuje životní prostředí. Jednoduše vrací plyn do formy vody .
Vodík je také jedinečně flexibilní médium pro skladování a distribuci energie. Snadno se přeměňuje na elektřinu pomocí palivového článku a elektřina může být elektrolyzací vody přeměněna zpět na vodík.
Přenáší se potrubím podobným těm, které se používají pro zemní plyn, může přenášet energii z velkých vzdálených elektráren do jednotlivých domů a továren, jako je tomu nyní u elektřiny – ale s mnohem vyšší účinností.
A na rozdíl od elektřiny může být vodík uchováván v nádržích jako palivo pro vozidla nebo pro skladování energie po dobu p eak poptávka.
Podle slov Petera Hoffmana, redaktora a vydavatele The Hydrogen Letter : „Vodík je palivo na konci roku čára, když bylo vše ostatní vyčerpáno, shledáno neproveditelným nebo environmentálně nevhodným. “
Pro většinu lidí slovo vodík okamžitě vyvolá přízrak Hindenburgu dirigible, explodující na venkově New Jersey.
▲ Model LZ-129 Hindenburg hořící v Lakehurstu v New Jersey
Objektivnější analýza přesto odhalila, že vodík není nebezpečnější než jiné hořlavé materiály používané jako paliva, a dokonce obsahuje významné bezpečnostní výhody.
Je ironií, že příkladem je samotný incident Hindenburg .
Ačkoli explodoval stovky stop od země přežilo 62 z 97 cestujících na letecké lodi, částečně kvůli lehkému světu Jak hořlavý plyn vzplál z lodi, jak hořel, a byl spotřebován relativně krátkou explozí.
Palivo z petroleje by se drželo vraku a dlouho zuřivě hořelo, pravděpodobně by zabilo každého v okolí.
Přesto Hindenburg zůstává skutečnou překážkou přijetí vodíku mezi širokou veřejností.
Od z praktického hlediska však skutečné problémy souvisejí se strojírenstvím a ekonomikou.
V důležitém novém vývoji v elektrolýze vody je tenký plastový list ve skutečnosti elektrolyt, pevná látka polymerní materiál, který je mnohem lepším iontovým vodičem než kapalný elektrolyt hydroxidu draselného používaný s vodou při konvenční elektrolýze.
Výsledek? Více vodíku pro stejné množství použité elektrické energie.
Je to jen jeden z mnoha pokroků v oblasti výroby vodíku.
Mezi další patří:
• Elektrolýzní systém, který rozděluje vodu, když na její elektrody svítí slunce .
• Ele proces ctrolýzy, který využívá práškové uhlí a vodu a vyžaduje pouze poloviční množství elektřiny potřebné v konvenční elektrolýze. • Biologické organismy a materiály, které štěpí vodu, když jsou vystaveny slunečnímu záření.
• Termochemické cykly, které indukují štěpení vody intenzivním teplem.
Proč veškerý intenzivní výzkum výroby vodíku?
Dva důvody.
Jedním z nich je, že vodík se průmyslově široce používá jako chemická surovina pro mnoho výrobních procesů. Většina vodíku dnes pochází ze zemního plynu a ropy, kterých je relativně málo.
Za druhé, když se tento nedostatek stane zásobou, budeme potřebovat další zdroje vodíku a další zdroje paliva.
Naštěstí přírodní trezory obsahují prakticky nevyčerpatelné zásoby vodíku. Musíme jen najít kombinaci, abychom ji odemkli.
Sedmdesát pět procent zemského povrchu je pokryto vodou.
Každá molekula vody má dva atomy vodíku a jeden z kyslíku.
Pokud se dokážeme naučit ekonomicky extrahovat vodík zachycený v této vodě, naše starosti s palivem budou zažehnány.
Vodík je lepší palivo než benzín.
Bez znečištění se při spalování promění zpět na vodu.
Nabije více energie na libru než jakékoli palivo – například 19 000 Btu potenciální tepelné energie na kilogram benzínu, 61 000 na libra kapalného vodíku.
Největším problémem, který stojí v cestě vodíkové ekonomice, jsou náklady.
Tyto dva atomy vodíku jsou s tímto atomem kyslíku velmi přátelské.
Jejich rozdělení bere energii.
S elektrolýzou vody – standardní komerční způsob štěpení vody používaný po celá desetiletí – tato energie pochází z drahé elektřiny.
„Elektrolytický vodík dnes stojí v okolí $ 15 – 25 $ za milion Btu, “říká Al Mezzina z Brookhaven National Laboratory. „Benzín je něco jako 6–8 USD za milion Btu.“
Kvůli svým nákladům tvoří elektrolytický vodík jen asi jedno procento veškerého vyrobeného vodíku.
Používá se tam, kde je obzvláště čistý vodík je potřebný – například v procesech zpracování kovů a výroby polovodičů.
Ale budoucnost není úplně bezútěšná.
Některé nebo všechny právě zmíněné systémy mohou jednoho dne hrát hraje důležitou roli při výrobě vodíku.
Podívej se na ně blíže.
Pokroky v elektrolýze
Konvenční elektrolýza aplikuje stejnosměrné napětí na dvě elektrody ponořené v roztoku vody a hydroxidu draselného. Když proud teče, dochází mezi elektrodami k výměně iontů a elektronů. Atomy vodíku se shromažďují na záporné elektrodě (katodě) a atomy kyslíku na kladné elektrodě (anodě). Oddělovač mezi elektrodami odděluje plyny.
V současné době vědci a vědci v Brookhavenu pracují na experimentálním systému, který je podobný konvenčnímu systému elektrolýzy, kromě toho, že eliminuje potřebu umělé elektřiny. Stejně jako u běžné elektrolýzy systém používá dvě elektrody. Rozdíl je v tom, že anoda je speciální polovodič citlivý na světlo vyrobený z oxidu železa.
„Je potažena tenkou vrstvou oxidu titaničitého, aby ve svém roztoku vody a hydroxidu draselného nekorodovala, „říká Dr. Chiang Yang, jeden z vědců zapojených do experimentu.“ Když na systém svítí sluneční světlo, vytváří se na anodě elektrický potenciál, který způsobuje tok proudu. Dochází k výměně elektronů a iontů, stejně jako v konvenčním systému elektrolýzy.
„Takto si můžete představit, co se děje na anodě,“ vysvětluje Yang. „Když sluneční světlo zasáhne polovodičovou elektrodu, některé elektrony se velmi vzrušují a mění svou polohu, něco jako jednotlivci v divadle, kteří vstávají a nechávají sedět ostatním lidem. To zanechává vyplnění děr. Ostatní elektrony z vody se pohybují dovnitř zabírat díry. Výsledkem je rozštěpení vody.Ale někdy se vzrušené elektrony přesouvají zpět do děr, které uvolnily, než se ostatní elektrony z vody mohou pohybovat dovnitř, podobně jako kdyby mnozí z těch lidí v divadle vstali ze sedadel, pomysleli si to lépe a znovu se posadili. To je promarněný pohyb, který neprodukuje nic jiného než teplo. Říkáme tomu rekombinace. Chceme omezit rekombinaci na minimum, což je další způsob, jak říci, že chceme zvýšit naši efektivitu. “
Systém zatím existuje pouze jako malý laboratorní model.
Snižování míra rekombinace je jen jedním z mnoha problémů, které je třeba vyřešit, než bude postupovat dále než po tuto fázi.
A Dr. Yang varuje před nepřiměřeným optimismem. “V celkovém schématu fotoelektrolýzy je to, co jsme udělali, není to průlom, „říká.„ Je to však důležitý krok na cestě k vývoji praktických fotoelektrolytických článků. Je však třeba plně prozkoumat tento a další podobné systémy, které používají sluneční světlo a polovodičové elektrody. Pokud dokážeme tyto chyby vyřešit , mohou hrát významnou roli při výrobě vodíku. “
Experimentální fotochemický přístup k elektrolýze sleduje také skupina na Caltech, vedená profesorem Harrym B. Grayem. Experimentátoři nepoužívají pevné elektrody, ale místo toho jedinečnou molekulu vytvořenou člověkem (organický komplex s kovovým rhodiem v jeho jádru). Když je chemická látka rozpuštěna ve vodě a vystavena slunečnímu záření, štěpí molekuly vody a uvolňuje vodík. „Je příliš brzy na to, abychom zjistili, zda to bude někdy komerčně praktické,“ říká doktorka Virginia Houlingová, členka výzkumného týmu Greye. „S těmito systémy jsme na samém okraji technologie.“
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Dalším slibným přístupem k elektrolýze je systém GE s pevným elektrolytem vyvinutý ve Wilmingtonu ve státě Massachusetts. Materiál s pevným polymerem je 10 mils tlustý a je na obou stranách potažen tenkým filmem z elektrodového materiálu. „Tento systém je důležitý různými způsoby,“ říká Jack Russell, programový manažer GE pro programy elektrolýzy pevných polymerů a elektrolytů. „Je efektivnější než srovnatelné konvenční systémy, což v podstatě znamená, že můžete za stejné množství elektřiny vyrobit více vodíku. A nepoužívá žádné žíravé kapalné elektrolyty. „
Ještě další systém pro elektrolýzu je ve velmi raných experimentálních fázích na univerzitě v Connecticutu. Profesor Robert Coughlin používá konvenční elektrolyzér a vodní roztok hydroxidu sodného nebo kyseliny. Přidává však také jemně práškové uhlí – typ uhelných elektráren spalujících jejich turbíny. Práškové uhlí má zajímavý účinek tím, že snižuje o 50 procent množství elektřiny potřebné k výrobě daného množství vodíku. Uhlí oxiduje a je spotřebováno v procesu, ale energie generovaná oxidací snižuje množství elektrické energie potřebné pro elektrolýzu.
Jaké budou konečné výsledky jeho počáteční laboratorní práce, Coughlin si není jistý.
„Ale když máte možnost snížit náklady na elektřinu o 50 procent,“ říká, „musíte to vyzkoušet. A máme obrovské zásoby uhlí. “
Několik odborníků pochybuje, že nějaká forma elektrolýzy, možná různé formy v různých regionech, bude nakonec hrát důležitou roli při výrobě vodíku.
Například říká Brookhaven „Mezzina:“ Vzhledem k tomu, že se výzkum fotovoltaických článků vyvíjí natolik, že jsou dostatečně levné a praktické, mohou být elektrolyzéry ve slunečním pásu poháněny solárními články. V oblastech, kde není mnoho slunce ale dostatek vodní energie mohou vodní elektrárny dodávat energii štěpící vodu. Ještě na jiných místech mohou elektřinu dodávat jaderné elektrárny. „
Rozdělení vody pomocí tepla
Jaderné elektrárny může také dodávat teplo pro jiný přístup k rozštěpení vody – termochemická disociace.
Vědci již dlouho věděli, že pokud se voda zahřeje na 3 700 stupňů F, spontánně se rozpadne na kyslík a vodík.
S touto metodou však existují problémy – v neposlední řadě jde o nedostatek materiálů nádob, které by po delší dobu odolávaly těmto teplotám.
Rovněž neexistuje žádný praktický způsob, jak získat takové teploty.
Pokud se však do vody přidají určité anorganické sloučeniny – například oxid siřičitý a jód -, voda se rozpadne řadou chemických reakcí při mnohem nižší teplotě: 1400 stupňů F.
Na konci procesu se anorganické sloučeniny regenerují a proces je připraven začít znovu. Stále vysoce experimentální dosud používané mochemické cykly pocházejí z tepla z běžných laboratorních pecí.
„Od skutečného připojení k jadernému reaktoru nám zbývá ještě několik let,“ říká Dr. Giovanni Caprioglio, manažer chemie u General Atomic Corp. v San Diegu v Kalifornii.
General Atomic je jedním z lídrů v termochemickém výzkumu.
Jedním problémem je, že jediný druh reaktoru, který může poskytovat teplo při teplotě 1400 stupňů, je plynem chlazený jaderný reaktor „. A na světě pracují pouze dva,“ říká Caprioglio. „Jeden je v Coloradu a druhý v Německu.“
Může také fungovat teplo ze solárního kolektoru. Společnost Georgia Tech vybudovala solární kolektor, který je schopen dodávat potřebné teplo. „Ale účinnost nemusí být tak velká, jako by to bylo v případě jaderného reaktoru,“ říká Caprioglio.
„V tomto okamžiku nikdo nemůže s naprostou jistotou říci, že i když jsou technické problémy (například protože jsou tepelně odolné materiály), můžeme snížit náklady a efektivitu na rozumnou úroveň, “říká Caroline Mason z Národní vědecké laboratoře v Los Alamos, kde se také provádí výzkum termochemických cyklů. „Ale musíme to sledovat, abychom to zjistili.“
Caprioglio souhlasí. „Pokud vše půjde podle plánu,“ říká, „budou existovat některé významné procesy chemicko-inženýrského předvádění a my začneme shromažďovat údaje a uvádět některé seriózní údaje o efektivitě a analýze nákladů.“
Biologické štěpení vody
Na Zemi existují stvoření, která rozdělují vodu bez elektřiny, tepla, špičkových technologií nebo úsilí. Jsou to Samozřejmě, zelené rostliny. Pomocí nazelenalé sloučeniny, chlorofylu, zachycují energii slunečního světla a mění vodu a oxid uhličitý na kyslík, který dýcháme, a energeticky bohaté sloučeniny obsahující uhlík, vodík a kyslík – sacharidy.
Proces, fotosyntéza, je základem pro většinu života na Zemi.
Toto pozorování stimulovalo některé výzkumníky, aby sledovali pravděpodobně nejexotičtější a nejvzdálenější ze všech experimentálních cest k štěpení vodou: úprava vlastního fotosyntetického procesu rostlin tak, aby se vodík uvolňoval, a ne aby byl zachycen v karbohydře ceny.
V laboratoři Oak Ridge National Laboratory experimentátoři zkoumají použití jak špenátových chloroplastů (diskovitých struktur, kde dochází k fotosyntéze v zelených rostlinách), tak sladkovodních řas k výrobě vodíku. Dr. Elias Greenbaum z Oak Ridge Lab uvedl: „Existuje šance, že výroba fotobiologického vodíku bude schopna zaujmout své místo mezi novými zdroji energie, které byly a budou vyvinuty, až budou fosilní paliva příliš drahá nebo nedostupná.“
Nikdo nedokáže přesně předpovědět, jaký bude výsledek celého tohoto výzkumu.
Mnoho vědců a vědců v oblasti výroby vodíku silně vyjádřilo dvě témata:
1) Musíme prozkoumat všechny možné oblasti výroby vodíku, i když se mnohé ukážou jako příliš nákladné, neefektivní nebo nepraktické. Jen tak lze dosáhnout skutečného pokroku.
2) Vodík bude být palivem budoucnosti.
Jediné otázky jsou, kdy a jak se bude vyrábět.
Jak se dalo očekávat, tyto poslední dvě otázky vyvolaly mezi odborníky značný nesouhlas, ale méně, než by se dalo očekávat.
Většina se obecně shodla, že bude trvat dalších 20 let, než uvidíme, jak vodík významně přispěje k energetickému obrazu. Calvin říká: „Během 25 let bude 10 procent USA v takzvané vodíkové ekonomice.“
Vodík je nejslibnějším palivem pro budoucnost. Všichni odborníci se domnívají, že se jej „naučíme vyrábět ekonomicky. Otázka, na kterou však nikdo nemůže odpovědět, je, jak brzy.
Je zapotřebí mnohem více výzkumu.