Mejor respuesta
Hay tres combustibles diferentes que se utilizan en los distintos cohetes SpaceX.
- El Falcon-1 , el Falcon-9 y el Falcon-Heavy todos usan los motores “ Merlin ”.
- Merlin usa RP-1 refrigerado (que significa para «Rocket Propellant 1» y es básicamente queroseno) con oxígeno líquido (LOX) como oxidante.
- Las diversas cápsulas Dragon utilizan Motores “ Draco ” y “ SuperDraco ”.
- Los motores de Draco utilice un combustible «hipergólico», lo que significa que mezcla dos productos químicos y se combinan espontáneamente, sin necesidad de ningún tipo de fuente de ignición. Ambos cohetes usan monometilhidrazina y tetróxido de nitrógeno . Cuando disparan, el escape es de un color naranja brillante muy característico.
- La StarShip y SuperHeavy use los “Raptor” motores.
- Raptor usa metano líquido (LCH4) como combustible con oxígeno líquido ( LOX) como oxidante (esto a veces se llama «Methalox»).
¿POR QUÉ CAMBIAR A METANO?
El cambio de RP-1 a metano se produce porque SpaceX quiere volar StarShip a Marte, y si lo hacen, no habrá suficiente espacio a bordo para almacenar suficiente combustible para volver a casa.
Lo bueno del metano es que se puede fabricar a partir de CO2 e hidrógeno, además de un buen suministro de electricidad. La atmósfera de Marte es casi toda CO2, y el hidrógeno puede obtenerse por electrólisis del agua, que es bastante abundante como hielo debajo de la superficie de Marte. Con la energía solar que genera electricidad, pueden producir metano y oxígeno allí mismo en Marte.
El plan es enviar un avión no tripulado con una fábrica de combustible para cohetes de metalox a bordo. Si lo envían un par de años antes que los primeros humanos, debería poder producir suficiente combustible para que la primera misión tripulada se recargue y regrese a casa.
Respuesta
Para para ahorrarle mucha vergüenza, hablaré de hidrógeno.
El hidrógeno es combustible.
El agua contiene hidrógeno, pero está unido con oxígeno.
Si el El hidrógeno se puede liberar del agua (mediante un proceso conocido como disociación ), puede usarlo como combustible. En realidad, necesita hacer que el agua sea conductora convirtiéndola en un electrolito; un proceso bastante simple y económico.
Ni siquiera necesita el oxígeno del agua; hay suficiente oxígeno disponible libremente en la atmósfera.
En el corazón de la promesa del hidrógeno se encuentran dos cualidades clave.
Primero, los suministros son prácticamente ilimitados. Dado que es un constituyente del agua, un método económico de extracción es lo único que se necesita para producir océanos de energía literal.
En segundo lugar, quemar hidrógeno no daña el medio ambiente. Simplemente devuelve el gas a la forma de agua. .
El hidrógeno también es un medio excepcionalmente flexible para el almacenamiento y distribución de energía. Se convierte fácilmente en electricidad mediante el uso de una pila de combustible, y la electricidad se puede convertir de nuevo en hidrógeno electrolizando agua.
Transmitida a través de tuberías similares a las que se usan para el gas natural, puede transportar energía desde grandes centrales eléctricas remotas a hogares y fábricas individuales como lo hace la electricidad ahora, pero con una eficiencia mucho mayor.
Y a diferencia de la electricidad, el hidrógeno se puede mantener en tanques para alimentar vehículos o para almacenar energía durante períodos de p demanda.
En palabras de Peter Hoffman, editor y editor de The Hydrogen Letter : «El hidrógeno es el combustible al final de la línea cuando todo lo demás se ha agotado, encontrado inviable o ambientalmente objetable. «
Para la mayoría de las personas, la palabra hidrógeno evoca inmediatamente el espectro del Hindenburg dirigible, explotando sobre el campo de Nueva Jersey.
▲ El modelo LZ-129 Hindenburg ardiendo en Lakehurst, Nueva Jersey
Sin embargo, un análisis más objetivo revela que el hidrógeno no es más peligroso que otros materiales inflamables utilizados como combustibles, e incluso tiene algunos ventajas de seguridad significativas.
Irónicamente, un ejemplo es el incidente Hindenburg .
Aunque explotó cientos de de pies del suelo, 62 de los 97 pasajeros de la nave aérea sobrevivieron, en parte porque la luz El gas de la nave se desprendió de la nave al arder y se consumió en una explosión relativamente breve.
El combustible de queroseno se habría adherido a los escombros y se habría quemado furiosamente durante mucho tiempo, probablemente matando a todos los que se encontraban en las cercanías.
Aún así, el Hindenburg sigue siendo un obstáculo real para la aceptación del hidrógeno entre el público en general.
De un Desde un punto de vista práctico, sin embargo, los problemas reales tienen que ver con la ingeniería y la economía.
En un nuevo desarrollo importante en la electrólisis del agua, una lámina delgada similar a un plástico es en realidad el electrolito, un sólido- material polimérico que es un conductor de iones mucho mejor que el electrolito de hidróxido de potasio líquido que se usa con agua en la electrólisis convencional.
El resultado es más hidrógeno por la misma cantidad de energía eléctrica utilizada.
Es solo uno de una variedad de avances que se están realizando en el campo de la producción de hidrógeno.
Otros incluyen:
• Un sistema de electrólisis que divide el agua cuando el sol brilla sobre sus electrodos .
• Un ele Proceso de control que utiliza carbón en polvo y agua, requiriendo solo la mitad de la cantidad de electricidad necesaria en la electrólisis convencional. • Organismos y materiales biológicos que dividen el agua cuando se exponen a la luz solar.
• Ciclos termoquímicos que inducen la separación del agua a través del calor intenso.
¿Por qué toda la investigación intensiva sobre la producción de hidrógeno?
Dos razones.
Una, el hidrógeno se usa ampliamente en la industria como materia prima química para muchos procesos de fabricación. La mayor parte del hidrógeno hoy en día proviene del gas natural y el petróleo, que son relativamente escasos.
Dos, cuando esa escasez se convierta en no hay suministro, necesitaremos otras fuentes de hidrógeno y otras fuentes de combustible.
Afortunadamente, la caja fuerte de la naturaleza contiene un suministro prácticamente inagotable de hidrógeno. Solo tenemos que encontrar la combinación para desbloquearla.
El setenta y cinco por ciento de la superficie de la tierra está cubierta de agua.
Cada molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
Si podemos aprender a extraer económicamente el hidrógeno atrapado en esa agua, nuestras preocupaciones sobre el combustible se acabarán.
El hidrógeno es un mejor combustible que la gasolina.
Libre de contaminación, se convierte de nuevo en agua cuando se quema.
Contiene más energía por libra que cualquier combustible, por ejemplo, 19,000 Btu de energía térmica potencial por una libra de gasolina, 61,000 por libra. una libra de hidrógeno líquido.
El mayor problema que se interpone en el camino de la economía del hidrógeno es el costo.
Esos dos átomos de hidrógeno son muy amigables con ese átomo de oxígeno.
Separarlos requiere energía.
Con la electrólisis del agua, la forma comercial estándar de dividir el agua, utilizada durante décadas, esa energía proviene de la costosa electricidad.
«Electrolítico el hidrógeno cuesta hoy en el vecindario de $ 15— $ 25 por millón de Btu «, dice Al Mezzina del Laboratorio Nacional de Brookhaven. «La gasolina cuesta entre $ 6 y $ 8 por millón de Btu».
Debido a su costo, el hidrógeno electrolítico constituye solo alrededor del uno por ciento de todo el hidrógeno producido.
Se usa donde es especialmente puro El hidrógeno es necesario, por ejemplo, en el procesamiento de metales y en los procesos de fabricación de semiconductores.
Pero el futuro no es del todo sombrío.
Algunos o todos los sistemas que acabamos de mencionar pueden algún día jugar un papel papel importante en la producción de hidrógeno.
Míralos más de cerca.
Avances en electrólisis
La electrólisis convencional aplica un voltaje de CC a través de dos electrodos sumergidos en una solución de agua e hidróxido de potasio. Cuando la corriente fluye, se produce un intercambio de iones y electrones entre los electrodos. Los átomos de hidrógeno se acumulan en el electrodo negativo (cátodo) y los átomos de oxígeno en el electrodo positivo (ánodo). Un separador entre los electrodos separa los gases.
Hoy en día, los investigadores y científicos de Brookhaven están trabajando en un sistema experimental que es similar a un sistema de electrólisis convencional, excepto que elimina la necesidad de electricidad artificial. Como ocurre con la electrólisis convencional, el sistema utiliza dos electrodos. La diferencia es que el ánodo es un semiconductor especial sensible a la luz hecho de óxido de hierro.
«Está recubierto con una fina película de dióxido de titanio para evitar que se corroa en su solución de agua e hidróxido de potasio, «dice el Dr. Chiang Yang, uno de los científicos involucrados en el experimento. Cuando la luz solar incide sobre el sistema, se crea un potencial eléctrico en el ánodo, lo que hace que fluya la corriente. Se produce un intercambio de electrones e iones, de forma muy similar a como ocurre en un sistema de electrólisis convencional.
«Puedes pensar en lo que sucede en el ánodo de esta manera», explica Yang. «Cuando la luz solar incide en el electrodo semiconductor, algunos electrones se excitan mucho y cambian de posición, como si los individuos en un teatro se levantaran para dejar que otras personas se sentaran. Esto deja huecos que llenar. Otros electrones del agua se mueven hacia ocupan los agujeros, lo que da como resultado la división del agua.Pero a veces los electrones excitados regresan a los agujeros que dejaron antes de que otros electrones del agua puedan entrar, como si muchas de esas personas en el teatro se levantaran de sus asientos, lo pensaran mejor y volvieran a sentarse. Este es movimiento desperdiciado, que no produce nada más que calor. Lo llamamos recombinación. Queremos reducir la recombinación al mínimo, que es otra forma de decir que queremos aumentar nuestra eficiencia «.
Hasta ahora, el sistema existe solo como un pequeño modelo de laboratorio.
Disminuyendo la tasa de recombinación es solo uno de los muchos problemas que deben resolverse antes de que avance más allá de esa etapa.
Y el Dr. Yang advierte contra el optimismo indebido. «En el esquema general de la fotoelectrólisis, lo que hemos hecho es no es un gran avance «, dice.» Pero es un paso importante en el camino hacia el desarrollo de células fotoelectrolíticas prácticas. Sin embargo, este y otros sistemas similares que usan luz solar y electrodos semiconductores deben explorarse a fondo. Si podemos resolver los errores , pueden desempeñar un papel importante en la producción de hidrógeno «.
Un enfoque fotoquímico experimental de la electrólisis también está siendo perseguido por un en Caltech, dirigido por el Prof. Harry B. Gray. Los experimentadores no utilizan electrodos sólidos, sino una molécula única hecha por el hombre (un complejo orgánico con el metal rodio en su núcleo). Cuando se disuelve en agua y se expone a la luz solar, la sustancia química divide las moléculas de agua y libera hidrógeno. «Es demasiado pronto para saber si esto alguna vez será comercialmente práctico», dice la Dra. Virginia Houling, miembro del equipo de investigación de Gray. «Estamos a la vanguardia de la tecnología con estos sistemas».
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Otro enfoque prometedor para la electrólisis es el sistema de electrolitos sólidos de GE desarrollado en Wilmington, Massachusetts. El material de polímero sólido es 10 mils de espesor y está recubierto en ambos lados con una película delgada de material de electrodo. «Este sistema es importante de varias maneras», dice Jack Russell, gerente de programas de GE para programas de electrólisis de electrolitos de polímero sólido. «Es más eficiente que los convencionales comparables sistemas, lo que esencialmente significa que puede producir más hidrógeno por la misma cantidad de electricidad. Y no utiliza electrolitos líquidos cáusticos «.
Otro sistema de electrólisis se encuentra en etapas experimentales muy tempranas en la Universidad de Connecticut. El profesor Robert Coughlin usa un electrolizador convencional y una solución acuosa de hidróxido de sodio o ácido. Pero también agrega carbón en polvo fino, el tipo de carbón que las empresas eléctricas queman para sus turbinas. El carbón en polvo tiene el interesante efecto de reducir en un 50 por ciento la cantidad de electricidad necesaria para producir una determinada cantidad de hidrógeno. El carbón se oxida y se consume en el proceso, pero la energía generada por la oxidación reduce la cantidad de energía eléctrica necesaria para la electrólisis.
Cuáles serán los resultados finales de su trabajo de laboratorio inicial, Coughlin no está seguro.
«Pero cuando tiene la posibilidad de reducir los costos de electricidad en un 50 por ciento», dice, «tiene que comprobarlo». Y tenemos un gran suministro de carbón «.
Pocos expertos dudan de que alguna forma de electrólisis, tal vez varias formas en diferentes regiones, eventualmente jugará un papel importante en la producción de hidrógeno.
Por ejemplo, dice Mezzina de Brookhaven, «a medida que la investigación en células fotovoltaicas se desarrolla hasta el punto en que son lo suficientemente baratas y prácticas, los electrolizadores en el cinturón solar podrían funcionar con células solares. En áreas donde no hay mucho sol pero con mucha energía hidroeléctrica, las plantas hidroeléctricas pueden suministrar energía para dividir el agua. En otros lugares, las plantas de energía nuclear pueden suministrar la electricidad. «
Dividir agua con calor
Plantas nucleares También podría proporcionar calor para un enfoque diferente de la división del agua: la disociación termoquímica.
Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que si el agua se calienta a 3700 grados F, se descompone espontáneamente en oxígeno e hidrógeno.
Sin embargo, existen problemas con este método, entre ellos la falta de materiales de contenedor que puedan soportar tales temperaturas durante un período sostenido.
Además, no existe una forma práctica de obtener tales temperaturas.
Sin embargo, si se agregan ciertos compuestos inorgánicos al agua (dióxido de azufre y yodo, por ejemplo), el agua se rompe a través de una serie de reacciones químicas a una temperatura mucho más baja: 1,400 grados F.
Al final del proceso, los compuestos inorgánicos se regeneran y el proceso está listo para comenzar de nuevo. Aún muy experimental, el Los ciclos químicos utilizados hasta ahora han obtenido su calor de los hornos de laboratorio convencionales.
«Todavía estamos a años de la conexión real a un reactor nuclear», dice el Dr. Giovanni Caprioglio, gerente de química de General Atomic Corp. en San Diego, California.
General Atomic es uno de los líderes en investigación termoquímica.
Un problema es que el único tipo de reactor que puede proporcionar calor a la temperatura necesaria de 1.400 grados es el refrigerado por gas reactor nuclear «. Y sólo hay dos de ellos trabajando en el mundo», dice Caprioglio. «Uno está en Colorado y el otro en Alemania».
El calor de un colector solar también podría funcionar. Georgia Tech ha construido un colector solar que es capaz de proporcionar el calor necesario. «Pero la eficiencia puede no ser tan grande como lo sería con un reactor nuclear», dice Caprioglio.
«En este punto, nadie puede decir con absoluta certeza que, incluso si los problemas técnicos (tales como materiales resistentes al calor), podemos llevar el costo y la eficiencia a un nivel razonable «, dice Caroline Mason de Los Alamos National Scientific Laboratories, donde también se están investigando los ciclos termoquímicos. «Pero debemos perseguirlo para averiguarlo».
Caprioglio está de acuerdo. «Si todo sale según lo planeado», dice, «habrá algunos procesos sustanciales de demostración de ingeniería química, y» comenzaremos a recopilar datos y anotar algunas cifras serias de eficiencia y análisis de costos «.
División biológica del agua
Hay criaturas en la Tierra que dividen el agua sin electricidad, calor, alta tecnología o esfuerzo. Son, de Por supuesto, las plantas verdes. Usando el compuesto verdoso, la clorofila, capturan la energía de la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en el oxígeno que respiramos y compuestos ricos en energía que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, los carbohidratos.
El proceso, la fotosíntesis, es la base de la mayor parte de la vida en la Tierra.
Esta observación ha estimulado a algunos investigadores a seguir el que probablemente sea el más exótico — y lejano — de todos los caminos experimentales hacia división del agua: modificar el proceso fotosintético propio de las plantas para que el hidrógeno se libere, en lugar de quedar atrapado en los carbohidratos
En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, los experimentadores están investigando el uso de cloroplastos de espinaca (las estructuras en forma de disco donde ocurre la fotosíntesis en las plantas verdes) y algas de agua dulce para generar hidrógeno. El Dr. Elias Greenbaum de Oak Ridge Lab dijo: «Existe la posibilidad de que la producción de hidrógeno fotobiológico pueda ocupar su lugar entre las nuevas fuentes de energía que se han desarrollado y se desarrollarán cuando los combustibles fósiles se vuelvan demasiado caros o no estén disponibles».
Nadie puede predecir realmente cuál será el resultado de toda esta investigación.
Muchos científicos e investigadores en el campo de la producción de hidrógeno, expresaron fuertemente dos temas:
1) Debemos explorar todas las áreas posibles de producción de hidrógeno, incluso si muchas resultan ser demasiado costosas, ineficientes o poco prácticas. Esa es la única forma en que se puede lograr un progreso real.
2) El hidrógeno será será el combustible del futuro.
Las únicas preguntas son cuándo y cómo se producirá.
Como era de esperar, estas dos últimas preguntas generaron un considerable desacuerdo entre los expertos, pero menos de lo que podría esperarse.
La mayoría estuvo de acuerdo en que pasarán otros 20 años antes de que veamos al hidrógeno haciendo una contribución significativa a la imagen de la energía. Calvin dice: «Dentro de 25 años, el 10 por ciento de los EE. UU. Estará en la llamada economía del hidrógeno».
El hidrógeno es el combustible más prometedor para el futuro. Todos los expertos creen que aprenderemos a producirlo económicamente. La pregunta que nadie puede responder, sin embargo, es qué tan pronto.
Se necesita mucha más investigación.