Bedste svar
Der bruges tre forskellige brændstoffer i de forskellige SpaceX-raketter.
- Originalen Falcon-1 , Falcon-9 og Falcon-Heavy bruger alle “ Merlin ” -motorer.
- Merlin bruger kølet RP-1 (som står til “Rocket Propellant 1” og er grundlæggende petroleum) med flydende ilt (LOX) som oxidator.
- De forskellige Dragon kapsler bruger “ Draco ” og “ SuperDraco ” motorer.
- Dracos Brug et “hypergolisk” brændstof, hvilket betyder, at du blander to kemikalier, og de forbrænder spontant – uden brug af nogen form for antændelseskilde. Begge raketter bruger monomethylhydrazin og nitrogentetroxid . Når de fyrer, er udstødningen en meget karakteristisk lys orange.
- StarShip og SuperHeavy brug “Raptor” motorer.
- Raptor bruger flydende metan (LCH4) som brændstof med flydende ilt ( LOX) som oxidationsmiddel (dette kaldes undertiden “Methalox”).
HVORFOR SKIFT TIL METHAN?
Skiftet fra RP-1 til metan sker, fordi SpaceX vil flyve StarShip til Mars – og hvis de gør det, er der ikke nok plads om bord til at gemme nok brændstof til at komme hjem igen.
Det pæne ved metan er, at det kan fremstilles af CO2 og brint – plus en god strømforsyning. Atmosfæren på Mars er næsten al CO2, og brint kan opnås ved elektrolyse af vand – som er ret rigeligt som is under Mars overflade. Med solenergi, der genererer elektricitet – kan de fremstille metan OG ilt lige der på Mars.
Planen er at sende et droneskib med en methalox-raketbrændstoffabrik ombord. Hvis de sender det et par år forud for de første mennesker – skulle det være i stand til at lave nok brændstof til den første bemandede mission til at tanke op og vende hjem.
Svar
Til sparer dig en masse forlegenhed, jeg taler om brint.
Brint er brændstof.
Vand indeholder brint, men bundet med ilt.
Hvis brint kan frigøres fra vand (ved en proces kendt som dissociation ), kan du bruge det som brændstof. Faktisk skal du gøre vand ledende ved at gøre det til en elektrolyt; en ganske enkel og billig proces.
Du har ikke engang brug for ilt fra vand; nok ilt er frit tilgængeligt i atmosfæren.
Kernen i brintets løfte ligger to nøglekvaliteter.
For det første er forsyningerne af det næsten ubegrænsede. Da det er en primær vandkomponent, en økonomisk metode til at udvinde det er det eneste, der kræves for at producere bogstavelige oceaner af energi.
For det andet skader brændende brændstof ikke miljøet. Det returnerer simpelthen gassen til form af vand .
Brint er også et unikt fleksibelt medium til lagring og distribution af energi. Det omdannes let til elektricitet ved hjælp af en brændselscelle, og elektricitet kan omdannes til brint ved elektrolysering af vand.
Overført gennem rørledninger svarende til dem, der bruges til naturgas, kan den transportere energi fra store fjerntliggende kraftværker til individuelle hjem og fabrikker, som elektricitet nu gør – men med langt større effektivitet.
Og i modsætning til elektricitet kan brint opbevares i tanke til brændstof på køretøjer eller til at lagre strøm i perioder på s eak efterspørgsel.
Med ordene fra Peter Hoffman, redaktør og udgiver af Hydrogen Letter : “Hydrogen is the fuel in the end of linjen, når alt andet er udtømt, fundet umuligt eller miljømæssigt anstødeligt. “
For de fleste fremkalder ordet hydrogen straks spøgelsen fra Hindenburg styrbar, eksploderer over landskabet i New Jersey.
▲ Model LZ-129 Hindenburg, der brænder ved Lakehurst, New Jersey
Alligevel afslører en mere objektiv analyse, at brint ikke er farligere end andre brandfarlige materialer, der bruges som brændsel, og endda har nogle væsentlige sikkerhedsfordele.
Ironisk nok er en konkret sag Hindenburg selve hændelsen.
Selvom den eksploderede hundreder fødder fra jorden overlevede 62 af luftfartøjets 97 passagerer, dels fordi lightwei ght gas steg fri for håndværket, da det brændte og blev forbrugt i en relativt kort eksplosion.
Kerosin-jetbrændstof ville have klamret sig fast på vraget og brændt rasende i lang tid og sandsynligvis dræbt alle i nærheden.
Stadig Hindenburg er fortsat en reel hindring for brintets accept blandt offentligheden.
Fra en praktisk synspunkt har de virkelige problemer imidlertid at gøre med teknik og økonomi.
I en vigtig nyudvikling inden for elektrolyse af vand er et tyndt plastlignende ark faktisk elektrolytten, et faststof polymermateriale, der er en meget bedre ionleder end den flydende kaliumhydroxidelektrolyt, der bruges sammen med vand i konventionel elektrolyse.
Resultatet? Mere brint til den samme mængde brugt elektrisk energi.
Det er kun en af en række fremskridt, der gøres inden for brintproduktion.
Andre inkluderer:
• Et elektrolysesystem, der splitter vand, når solen skinner på sine elektroder .
• En ele ctrolyseproces, der bruger pulveriseret kul og vand, der kun kræver halvdelen af den nødvendige mængde elektricitet til konventionel elektrolyse. • Biologiske organismer og materialer, der splitter vand, når de udsættes for sollys.
• Termokemiske cyklusser, der inducerer vandopdeling gennem intens varme.
Hvorfor al den intensive forskning i brintproduktion?
To grunde.
Den ene, hydrogen anvendes i vid udstrækning industrielt som et kemisk råmateriale til mange fremstillingsprocesser. Det meste brint i dag kommer fra naturgas og petroleum, som er relativt mangelfuldt.
To, når den manglende forsyning ikke er nogen forsyning, har vi brug for andre brintkilder og andre brændstofkilder. p>
Heldigvis indeholder naturens sikre en næsten uudtømmelig tilførsel af brint. Vi er bare nødt til at finde kombinationen for at låse den op.
Femoghalvfjerds procent af jordens overflade er dækket af vand.
Hvert vandmolekyle har to brintatomer og en af ilt.
Hvis vi kan lære at udvinde det brint, der er fanget i vandet, økonomisk, vil vores bekymringer for brændstof være forbi.
Brint er et bedre brændstof end benzin.
Forureningsfri, det bliver tilbage til vand, når det brændes.
Det pakker mere energi pr. pund end noget brændstof – for eksempel 19.000 Btu potentiel varmeenergi for et pund benzin, 61.000 for et pund flydende brint.
Det største enkelt problem, der står i vejen for en brintøkonomi, er omkostninger.
Disse to brintatomer er meget venlige med det iltatom.
At splitte dem tager energi.
Med elektrolyse af vand – den almindelige kommercielle måde at opdele vand på, der bruges i årtier – kommer den energi fra dyr elektricitet.
“Elektrolytisk brint koster i dag i nærheden af $ 15— $ 25 pr. Million Btu, “siger Al Mezzina ved Brookhaven National Laboratory. “Benzin er noget i retning af $ 6 – $ 8 pr. Million BTU.”
På grund af sin regning udgør elektrolytisk brint kun cirka en procent af alt produceret brint.
Det bruges hvor det er særligt rent der er brug for brint – for eksempel i metalforarbejdning og produktion af halvlederproducenter.
Men fremtiden er ikke helt dyster.
Nogle eller alle de netop nævnte systemer kan en dag spille en vigtig rolle i brintproduktionen.
Se nærmere på dem.
Fremskridt inden for elektrolyse
Konventionel elektrolyse anvender en jævnstrømsspænding over to elektroder nedsænket i en opløsning af vand og kaliumhydroxid. Når der strømmer strøm, sker der en udveksling af ioner og elektroner mellem elektroderne. Brintatomer samles ved den negative elektrode (katode) og iltatomer ved den positive elektrode (anode). En separator mellem elektroderne adskiller gasserne.
I dag arbejder forskere og forskere på Brookhaven på et eksperimentelt system, der ligner et konventionelt elektrolysesystem, bortset fra at det eliminerer behovet for menneskeskabt elektricitet. Som med konventionel elektrolyse bruger systemet to elektroder. Forskellen er, at anoden er en særlig lysfølsom halvleder lavet af jernoxid.
“Den er belagt med en tynd film af titandioxid for at forhindre, at den tæres i sin opløsning af vand og kaliumhydroxid, ”siger Dr. Chiang Yang, en af forskerne involveret i eksperimentet. Når sollys skinner på systemet, dannes der et elektrisk potentiale ved anoden, der får strøm til at strømme. En elektron- og ionudveksling sker, ligesom det sker i et konventionelt elektrolysesystem.
“Du kan tænke på, hvad der sker ved anoden på denne måde,” forklarer Yang. “Når sollys rammer halvlederelektroden, bliver nogle elektroner meget begejstrede og ændrer deres position, ligesom individer på et teater rejser sig op for at lade andre mennesker have deres pladser. Dette efterlader huller der skal udfyldes. Andre elektroner fra vandet bevæger sig ind til optager hullerne. Dette resulterer i vandopdeling.Men nogle gange bevæger de ophidsede elektroner sig tilbage i de huller, de har forladt, før andre elektroner fra vandet kan bevæge sig ind, ligesom mange af disse mennesker i teatret rejste sig op fra deres pladser, tænkte bedre over det og satte sig ned igen. Dette er spildt bevægelse, der ikke producerer andet end varme. Vi kalder det rekombination. Vi ønsker at reducere rekombination til et minimum, hvilket er en anden måde at sige, at vi vil øge vores effektivitet. “
Indtil videre eksisterer systemet kun som en lille laboratoriemodel.
Faldende rekombinationshastigheden er blot et af de mange problemer, der skal løses, før det skrider videre end dette stadium.
Og Dr. Yang advarer mod unødig optimisme. “I det overordnede skema med fotoelektrolyse er det, vi har gjort, at ikke et gennembrud, “siger han.” Men det er et vigtigt skridt på vejen mod udvikling af praktiske fotoelektrolytiske celler. Dette og andre lignende systemer, der bruger sollys og halvlederelektroder, skal udforskes fuldt ud. Hvis vi kan finde ud af fejlene , kan de spille en væsentlig rolle i brintproduktionen. “
En eksperimentel fotokemisk tilgang til elektrolyse forfølges også af en gruppe hos Caltech, ledet af professor Harry B. Gray. Eksperimenterne bruger ikke faste elektroder, men i stedet et unikt menneskeskabt molekyle (et organisk kompleks med metal rhodium i kernen). Når det opløses i vand og udsættes for sollys, splitter kemikaliet vandmolekyler og frigiver brint. “Det er alt for tidligt at fortælle, om dette nogensinde vil være kommercielt praktisk,” siger Dr. Virginia Houling, et medlem af Greys forskningsteam. “Vi er på den yderste kant af teknologien med disse systemer.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
En anden lovende tilgang til elektrolyse er GE-solid-elektrolyt-systemet udviklet i Wilmington, Mass. Det faste polymermateriale er 10 mils tyk og er belagt på begge sider med en tynd film af elektrodemateriale. “Dette system er vigtigt på forskellige måder,” siger Jack Russell, GE-programleder for elektrolyseprogrammer med fast polymer-elektrolyt. “Det er mere effektivt end sammenlignelige konventionelle systemer, hvilket i det væsentlige betyder, at du kan producere mere brint til den samme mængde elektricitet. Og det bruger ingen kaustiske flydende elektrolytter. “
Endnu et andet elektrolysesystem er i meget tidlige eksperimentelle stadier ved University of Connecticut. Prof. Robert Coughlin bruger en konventionel elektrolysator og en vandopløsning af natriumhydroxid eller syre. Men han tilføjer også fint pulveriseret kul – typen af elektriske kulværker, der brænder til deres turbiner. Det pulveriserede kul har den interessante effekt, at det reducerer den nødvendige mængde elektricitet til at producere en given mængde brint med 50 procent. Kullet oxideres og forbruges i processen, men den energi, der genereres ved oxidation, reducerer mængden af elektrisk energi, der er nødvendig til elektrolyse.
Hvad slutresultaterne af hans indledende laboratoriearbejde vil være, er Coughlin ikke sikker på.
“Men når du har mulighed for at reducere elektriske omkostninger med 50 procent,” siger han, “skal du tjekke det ud. Og vi har enorme forsyninger med kul. “
Få eksperter tvivler på, at en eller anden form for elektrolyse, måske forskellige former i forskellige regioner, til sidst vil spille en vigtig rolle i brintproduktionen.
For eksempel siger Brookhaven s Mezzina, “Da forskning i solceller udvikler sig til det punkt, hvor de er billige nok og praktiske, kan elektrolysatorer i solbæltet drives af solceller. I områder, hvor der ikke er meget sol men masser af vandkraft, vandkraftværker kan levere vandopdelende energi. Andre steder kan atomkraftværker muligvis levere elektriciteten. “
Opdeling af vand med varme
Atomværker kunne også levere varme til en anden tilgang til vandopdeling – termokemisk dissociation.
Forskere har længe vidst, at hvis vand opvarmes til 3.700 grader F, bryder det spontant op i ilt og brint.
Der er dog problemer med denne metode – ikke mindst mangler der containermaterialer, der kan modstå sådanne temperaturer over en langvarig periode.
Der er heller ingen praktisk måde at opnå sådanne temperaturer.
Hvis der for eksempel tilsættes visse uorganiske forbindelser til vandet – svovldioxid og iod – bryder vandet op gennem en række kemiske reaktioner ved en meget lavere temperatur: 1.400 grader F.
Ved afslutningen af processen regenereres de uorganiske forbindelser, og processen er klar til at starte igen. Stadig meget eksperimentel, jo hidtil anvendte kemiske cyklusser har afledt deres varme fra konventionelle laboratorieovne.
“Vi er stadig år væk fra faktisk tilslutning til en atomreaktor,” siger Dr. Atomic Corp. i San Diego, Californien.
General Atomic er en af lederne inden for termokemisk forskning.
Et problem er, at den eneste type reaktor, der kan levere varme ved den nødvendige 1.400 graders temperatur, er den gaskølede atomreaktor “. Og der er kun to af dem, der arbejder i verden,” siger Caprioglio. “Den ene er i Colorado, og den anden er i Tyskland.”
Varme fra en solfanger kan også virke. Georgia Tech har bygget en solfanger, der er i stand til at levere den nødvendige varme. “Men effektiviteten er muligvis ikke så stor, som den ville være med en atomreaktor,” siger Caprioglio.
“På dette tidspunkt kan ingen med absolut sikkerhed sige, at selvom de tekniske problemer (f.eks. som varmebestandige materialer) løses, kan vi bringe omkostningerne og effektiviteten til et rimeligt niveau, “siger Caroline Mason fra Los Alamos National Scientific Laboratories, hvor der også forskes på termokemiske cyklusser. “Men vi skal forfølge det for at finde ud af det.”
Caprioglio er enig. “Hvis alt går som planlagt,” siger han, “vil der være nogle betydelige demonstrationsprocesser inden for kemiteknologi, og vi begynder at indsamle data og lægge nogle seriøse effektivitets- og omkostningsanalysetal.”
Biologisk vandopdeling
Der er skabninger på Jorden, der splitter vand uden elektricitet, varme, højteknologi eller indsats. De er af selvfølgelig de grønne planter. Ved hjælp af den grønlige forbindelse, klorofyl, fanger de solenergiens energi for at omdanne vand og kuldioxid til det ilt, vi indånder, og energirige forbindelser, der indeholder kulstof, brint og ilt – kulhydraterne.
Processen, fotosyntese, er grundlaget for mest liv på jorden.
Denne observation har stimuleret nogle forskere til at følge det, der sandsynligvis er den mest eksotiske – og fjerntliggende – af alle de eksperimentelle veje til spaltning af vand: modificering af planternes “egen fotosyntetiske proces, så brint frigøres snarere end fanget i carbohyd priser.
På Oak Ridge National Laboratory undersøger eksperimenterende brugen af både spinatkloroplaster (de disklignende strukturer, hvor fotosyntese forekommer i grønne planter) og ferskvandsalger til generering af brint. Oak Ridge Labs Dr. Elias Greenbaum sagde: “Der er en chance for, at fotobiologisk brintproduktion muligvis kan indtage sin plads blandt de nye energikilder, der er blevet og vil blive udviklet, når fossile brændstoffer bliver for dyre eller utilgængelige.”
Ingen kan virkelig forudsige, hvad resultatet af al denne forskning vil blive.
Mange forskere og forskere inden for brintproduktion har stærkt givet udtryk for to temaer:
1) Vi må undersøge alle mulige områder for brintproduktion, selvom mange viser sig at være for dyre, ineffektive eller upraktiske. Det er den eneste måde, hvorpå man kan opnå reelle fremskridt.
2) Brint vil være fremtidens brændstof.
De eneste spørgsmål er, hvornår og hvordan den vil blive produceret.
Som man kunne forvente, rejste disse to sidste spørgsmål betydelig uenighed blandt eksperterne, men mindre end man kunne forvente.
De fleste generelt enige om, at det vil gå yderligere 20 år, før vi ser brint yde et betydeligt bidrag til energibilledet. Calvin siger, “Inden for 25 år vil 10 procent af USA være på den såkaldte brintøkonomi.”
Brint er det mest lovende brændstof for fremtiden. Alle eksperterne mener, at vi “lærer at producere det økonomisk. Spørgsmålet, som ingen kan besvare, er dog, hvor hurtigt.
Der er brug for masser af mere forskning.