Migliore risposta
Ci sono tre diversi combustibili usati nei vari razzi SpaceX.
- Loriginale Falcon-1 , Falcon-9 e Falcon-Heavy utilizzano tutti i motori “ Merlin “.
- Merlin utilizza RP-1 raffreddato (che sta per “Rocket Propellant 1” ed è fondamentalmente cherosene) con ossigeno liquido (LOX) come ossidante.
- Le varie Dragon capsule utilizzano il Motori “ Draco ” e “ SuperDraco “.
- I motori Draco utilizzare un carburante “ipergolico”, il che significa che mescolate due sostanze chimiche che bruciano spontaneamente, senza bisogno di alcun tipo di fonte di accensione. Entrambi i razzi utilizzano monometil idrazina e tetrossido di azoto . Quando si attivano, lo scarico è di un arancione brillante molto caratteristico.
- Lo StarShip e SuperHeavy utilizza i motori “Raptor” .
- Raptor utilizza metano liquido (LCH4) come carburante con ossigeno liquido ( LOX) come ossidante (a volte è chiamato “Methalox”).
PERCHÉ PASSARE AL METANO?
Il passaggio da RP-1 a metano avviene perché SpaceX vuole far volare StarShip su Marte e, se lo fanno, non ci sarà abbastanza spazio a bordo per immagazzinare abbastanza carburante per tornare a casa.
La cosa bella del metano è che può essere prodotto da CO2 e idrogeno, oltre a una buona fornitura di elettricità. Latmosfera su Marte è quasi tutta CO2 e lidrogeno può essere ottenuto dallelettrolisi dellacqua, che è abbastanza abbondante come il ghiaccio sotto la superficie di Marte. Con lenergia solare che genera elettricità, possono produrre metano e ossigeno proprio lì su Marte.
Il piano è inviare una nave drone con a bordo una fabbrica di carburante per missili metalox. Se lo inviano un paio danni prima dei primi umani, dovrebbe essere in grado di produrre abbastanza carburante per la prima missione con equipaggio per fare rifornimento e tornare a casa.
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A risparmiandoti un sacco di imbarazzo, parlerò dellidrogeno.
Lidrogeno è carburante.
Lacqua contiene idrogeno, ma legato con lossigeno.
Se il lidrogeno può essere liberato dallacqua (mediante un processo noto come dissociazione ), puoi usarlo come carburante. In realtà, è necessario rendere lacqua conduttiva rendendola un elettrolita; un processo abbastanza semplice e poco costoso.
Non hai nemmeno bisogno dellossigeno dellacqua; abbastanza ossigeno è liberamente disponibile nellatmosfera.
Al centro della promessa dellidrogeno ci sono due qualità chiave.
Primo, le sue forniture sono virtualmente illimitate. costituente dellacqua, un metodo economico per estrarla è lunica cosa necessaria per produrre letteralmente oceani di energia.
In secondo luogo, la combustione dellidrogeno non danneggia lambiente. Restituisce semplicemente il gas sotto forma di acqua .
Lidrogeno è anche un mezzo straordinariamente flessibile per limmagazzinamento e la distribuzione di energia. Si converte facilmente in elettricità attraverso luso di una cella a combustibile e lelettricità può essere trasformata in idrogeno elettrolizzando lacqua.
Trasmesso attraverso condutture simili a quelle utilizzate per il gas naturale, può trasportare energia da grandi centrali elettriche remote a singole case e fabbriche come fa oggi lelettricità, ma con unefficienza molto maggiore.
E a differenza dellelettricità, lidrogeno può essere conservato nei serbatoi per alimentare i veicoli o per immagazzinare energia per periodi di p eak demand.
Nelle parole di Peter Hoffman, editore ed editore di The Hydrogen Letter : “Lidrogeno è il carburante alla fine del la riga quando tutto il resto è stato esaurito, trovato impraticabile o discutibile dal punto di vista ambientale. “
Per la maggior parte delle persone, la parola idrogeno evoca immediatamente lo spettro del Hindenburg dirigibile, che esplode sulla campagna del New Jersey.
▲ Il modello LZ-129 Hindenburg che brucia a Lakehurst, New Jersey
Tuttavia, unanalisi più oggettiva rivela che lidrogeno non è più pericoloso di altri materiali infiammabili usati come combustibili, e ne ha addirittura significativi vantaggi per la sicurezza.
Ironia della sorte, un esempio calzante è lo stesso incidente Hindenburg .
Sebbene sia esploso a centinaia di piedi da terra, 62 dei 97 passeggeri della nave aerea sono sopravvissuti, in parte perché il lightwei Il gas di combattimento è uscito dallastronave mentre bruciava e si è consumato in unesplosione relativamente breve.
Il cherosene del jet fuel sarebbe rimasto attaccato al relitto e sarebbe bruciato furiosamente per molto tempo, probabilmente uccidendo tutti nelle vicinanze.
Tuttavia, il Hindenburg rimane un vero ostacolo allaccettazione dellidrogeno da parte del grande pubblico.
Da un dal punto di vista pratico, tuttavia, i veri problemi hanno a che fare con lingegneria e leconomia.
In un nuovo importante sviluppo nellelettrolisi dellacqua, un sottile foglio di plastica è in realtà lelettrolita, un solido materiale polimerico che è un conduttore di ioni molto migliore dellelettrolita di idrossido di potassio liquido utilizzato con lacqua nellelettrolisi convenzionale.
Il risultato? Più idrogeno per la stessa quantità di energia elettrica utilizzata.
È solo uno dei numerosi progressi compiuti nel campo della produzione di idrogeno.
Altri includono:
• Un sistema di elettrolisi che divide lacqua quando il sole splende sui suoi elettrodi .
• Un ele processo di ctrolisi che utilizza carbone in polvere e acqua, che richiede solo la metà della quantità di elettricità necessaria nellelettrolisi convenzionale. • Organismi e materiali biologici che scindono lacqua se esposti alla luce solare.
• Cicli termochimici che inducono la scissione dellacqua attraverso il calore intenso.
Perché tutta la ricerca intensiva sulla produzione di idrogeno?
Due ragioni.
Primo, lidrogeno è ampiamente utilizzato a livello industriale come materia prima chimica per molti processi di produzione. La maggior parte dellidrogeno oggi proviene dal gas naturale e dal petrolio, che sono relativamente scarsi.
Secondo, quando questa scarsità di risorse diventa nulla, avremo bisogno di altre fonti di idrogeno e di altre fonti di carburante.
Fortunatamente, la cassaforte della natura contiene una scorta praticamente inesauribile di idrogeno. Dobbiamo solo trovare la combinazione per sbloccarla.
Il settantacinque percento della superficie terrestre è ricoperta dacqua.
Ogni molecola di acqua ha due atomi di idrogeno e uno dellossigeno.
Se possiamo imparare a estrarre in modo economico lidrogeno intrappolato in quellacqua, le nostre preoccupazioni sul carburante saranno finite.
Lidrogeno è un carburante migliore della benzina.
Privo di inquinamento, si trasforma di nuovo in acqua quando viene bruciato.
Contiene più energia per libbra rispetto a qualsiasi carburante, ad esempio 19.000 Btu di energia termica potenziale per una libbra di benzina, 61.000 per mezzo chilo di idrogeno liquido.
Il problema più grande che ostacola uneconomia dellidrogeno è il costo.
Questi due atomi di idrogeno sono molto amichevoli con quellatomo di ossigeno.
Dividerli in pezzi richiede energia.
Con lelettrolisi dellacqua, il modo commerciale standard di scindere lacqua, utilizzato per decenni, lenergia proviene da elettricità costosa.
“Elettrolitico lidrogeno oggi costa nellintorno di $ 15— $ 25 per milione di Btu “, afferma Al Mezzina del Brookhaven National Laboratory. “La benzina costa qualcosa come $ 6 – $ 8 per milione di Btu.”
A causa del suo costo, lidrogeno elettrolitico costituisce solo luno percento circa di tutto lidrogeno prodotto.
Viene utilizzato dove particolarmente puro è necessario lidrogeno, ad esempio nella lavorazione dei metalli e nei processi di produzione dei semiconduttori.
Ma il futuro non è del tutto desolante.
Alcuni o tutti i sistemi appena menzionati potrebbero un giorno svolgere un ruolo ruolo importante nella produzione di idrogeno.
Esaminali più da vicino.
Progressi nellelettrolisi
Lelettrolisi convenzionale applica una tensione CC su due elettrodi immersi in una soluzione di acqua e idrossido di potassio. Quando la corrente scorre, si verifica uno scambio di ioni ed elettroni tra gli elettrodi. Gli atomi di idrogeno si raccolgono sullelettrodo negativo (catodo) e gli atomi di ossigeno sullelettrodo positivo (anodo). Un separatore tra gli elettrodi separa i gas.
Oggi, i ricercatori e gli scienziati di Brookhaven stanno lavorando su un sistema sperimentale simile a un sistema di elettrolisi convenzionale, tranne per il fatto che elimina la necessità di elettricità artificiale. Come con lelettrolisi convenzionale, il sistema utilizza due elettrodi. La differenza è che lanodo è uno speciale semiconduttore fotosensibile fatto di ossido di ferro.
“È rivestito con una sottile pellicola di biossido di titanio per evitare che si corroda nella sua soluzione di acqua e idrossido di potassio, “dice il dottor Chiang Yang, uno degli scienziati coinvolti nellesperimento. Quando la luce solare colpisce il sistema, viene creato un potenziale elettrico allanodo, che fa fluire la corrente. Si verifica uno scambio di elettroni e ioni, proprio come avviene in un sistema di elettrolisi convenzionale.
“Puoi pensare a ciò che accade allanodo in questo modo”, spiega Yang. “Quando la luce solare colpisce lelettrodo a semiconduttore, alcuni elettroni si eccitano molto e cambiano la loro posizione, un po come le persone in un teatro che si alzano per lasciare che altre persone abbiano i loro posti. Questo lascia buchi da riempire. Altri elettroni dallacqua entrano in occupano i buchi, provocando la scissione dellacqua.Ma a volte gli elettroni eccitati tornano nei buchi che hanno lasciato libero prima che altri elettroni dallacqua possano entrare, proprio come se molte di quelle persone nel teatro si alzassero dai loro posti, ci pensassero meglio e si sedessero di nuovo. Questo è movimento sprecato, che non produce altro che calore. La chiamiamo ricombinazione. Vogliamo ridurre la ricombinazione al minimo, che è un altro modo per dire che vogliamo aumentare la nostra efficienza. “
Finora il sistema esiste solo come un piccolo modello di laboratorio.
Diminuzione il tasso di ricombinazione è solo uno dei tanti problemi che devono essere risolti prima che progredisca oltre quella fase.
E il dottor Yang mette in guardia contro un eccessivo ottimismo. “Nello schema generale della fotoelettrolisi, ciò che abbiamo fatto è non una svolta “, dice.” Ma è un passo importante lungo la strada per lo sviluppo di celle fotoelettrolitiche pratiche. Tuttavia, questo e altri sistemi simili che utilizzano la luce solare e gli elettrodi semiconduttori devono essere esplorati a fondo. Se riusciamo a risolvere i bug , possono svolgere un ruolo significativo nella produzione di idrogeno. “
Un approccio fotochimico sperimentale allelettrolisi è anche perseguito da un gruppo al Caltech, guidato dal Prof. Harry B. Gray. Gli sperimentatori non usano elettrodi solidi ma invece una molecola unica e artificiale (un complesso organico con il metallo rodio al centro). Quando disciolto in acqua ed esposto alla luce solare, la sostanza chimica divide le molecole dacqua, rilasciando idrogeno. “È troppo presto per dire se questo sarà mai commercialmente pratico”, afferma la dottoressa Virginia Houling, un membro del gruppo di ricerca di Gray. “Siamo allavanguardia della tecnologia con questi sistemi.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Un altro approccio promettente allelettrolisi è il sistema elettrolitico solido GE sviluppato a Wilmington, Mass. Il materiale polimero solido è 10 mils di spessore ed è rivestito su entrambi i lati con una sottile pellicola di materiale per elettrodi. “Questo sistema è importante in vari modi”, afferma Jack Russell, responsabile del programma GE per i programmi di elettrolisi di elettroliti a polimeri solidi. “È più efficiente dei tradizionali comparabili sistemi, il che significa essenzialmente che puoi produrre più idrogeno per la stessa quantità di elettricità. E non utilizza elettroliti liquidi caustici. “
Un altro sistema di elettrolisi è ancora nelle primissime fasi sperimentali presso lUniversità del Connecticut. Il Prof. Robert Coughlin utilizza un elettrolizzatore convenzionale e una soluzione acquosa di idrossido di sodio o acido. Ma aggiunge anche carbone finemente polverizzato, il tipo di carbone che le utenze elettriche bruciano per le loro turbine. Il carbone in polvere ha linteressante effetto di ridurre del 50 percento la quantità di elettricità necessaria per produrre una data quantità di idrogeno. Il carbone si ossida e viene consumato nel processo, ma lenergia generata dallossidazione riduce la quantità di energia elettrica necessaria per lelettrolisi.
Quali saranno i risultati finali del suo lavoro di laboratorio iniziale, Coughlin non è sicuro.
“Ma quando hai la possibilità di ridurre i costi elettrici del 50 percento”, dice, “devi” verificarlo. E abbiamo vaste scorte di carbone. “
Pochi esperti dubitano che qualche forma di elettrolisi, forse varie forme in diverse regioni, alla fine giocherà un ruolo importante nella produzione di idrogeno.
Ad esempio, dice “Mezzina” di Brookhaven, “Man mano che la ricerca sulle celle fotovoltaiche si sviluppa al punto che sono abbastanza economiche e pratiche, gli elettrolizzatori nella cintura solare potrebbero essere alimentati da celle solari. In aree dove non cè molto sole ma molta energia idroelettrica, le centrali idroelettriche possono fornire energia per la divisione dellacqua. In altri luoghi ancora, le centrali nucleari possono fornire lelettricità. “
Dividere lacqua con il calore
Centrali nucleari potrebbe anche fornire calore per un approccio diverso alla scissione dellacqua: dissociazione termochimica.
I ricercatori sanno da molto tempo che se lacqua viene riscaldata a 3.700 gradi F, si scompone spontaneamente in ossigeno e idrogeno.
Ci sono problemi con questo metodo, non ultimo dei quali è la mancanza di materiali per contenitori in grado di resistere a tali temperature per un periodo prolungato.
Inoltre, non esiste un modo pratico per ottenere tali temperature.
Tuttavia, se alcuni composti inorganici vengono aggiunti allacqua, ad esempio anidride solforosa e iodio, lacqua si rompe attraverso una serie di reazioni chimiche a una temperatura molto più bassa: 1.400 gradi F.
Alla fine del processo, i composti inorganici vengono rigenerati e il processo è pronto per ricominciare. Ancora altamente sperimentale, il I cicli mochimici utilizzati finora hanno derivato il loro calore da forni da laboratorio convenzionali.
“Siamo ancora lontani anni dal collegamento effettivo a un reattore nucleare”, afferma il dott. Giovanni Caprioglio, responsabile della chimica presso la General Atomic Corp. a San Diego, in California.
General Atomic è uno dei leader nella ricerca termochimica.
Un problema è che lunico tipo di reattore in grado di fornire calore alla temperatura di 1.400 gradi necessaria è il raffreddamento a gas reattore nucleare “. E ce ne sono solo due che lavorano nel mondo”, dice Caprioglio. “Uno è in Colorado e laltro è in Germania.”
Anche il calore di un collettore solare potrebbe funzionare. Georgia Tech ha costruito un collettore solare in grado di fornire il calore necessario. “Ma lefficienza potrebbe non essere così grande come sarebbe con un reattore nucleare”, dice Caprioglio.
“A questo punto, nessuno può dire con assoluta certezza che, anche se i problemi tecnici (tali poiché i materiali resistenti al calore) vengono risolti, possiamo portare i costi e lefficienza a un livello ragionevole “, afferma Caroline Mason dei Laboratori Scientifici Nazionali di Los Alamos, dove si stanno facendo ricerche anche sui cicli termochimici. “Ma dobbiamo proseguire per scoprirlo.”
Caprioglio è daccordo. “Se tutto andrà come previsto”, dice, “ci saranno alcuni sostanziali processi dimostrativi di ingegneria chimica e” inizieremo a raccogliere dati e metteremo giù alcune cifre serie di analisi dei costi e dellefficienza “.
Divisione biologica dellacqua
Ci sono creature sulla Terra che dividono lacqua senza elettricità, calore, alta tecnologia o sforzo. Sono, di naturalmente, le piante verdi. Usando il composto verdastro, la clorofilla, catturano lenergia della luce solare per trasformare lacqua e lanidride carbonica in ossigeno che respiriamo e composti ricchi di energia contenenti carbonio, idrogeno e ossigeno, i carboidrati.
Il processo, la fotosintesi, è la base per la maggior parte della vita sulla Terra.
Questa osservazione ha stimolato alcuni ricercatori a seguire quello che è probabilmente il più esotico – e lontano – di tutti i percorsi sperimentali per scissione dellacqua: modificare il processo fotosintetico delle piante in modo che lidrogeno venga liberato, piuttosto che intrappolato nel carboidrato
AllOak Ridge National Laboratory, gli sperimentatori stanno studiando luso di entrambi i cloroplasti di spinaci (le strutture a forma di disco in cui si verifica la fotosintesi nelle piante verdi) e le alghe dacqua dolce per generare idrogeno. Il dottor Elias Greenbaum di Oak Ridge Lab “ha detto:” Cè una possibilità che la produzione di idrogeno fotobiologico possa essere in grado di prendere il suo posto tra le nuove fonti di energia che sono state e saranno sviluppate quando i combustibili fossili diventeranno troppo costosi o non disponibili “. / p>
Nessuno può davvero prevedere quale sarà il risultato di tutta questa ricerca.
Molti scienziati e ricercatori nel campo della produzione di idrogeno, hanno espresso con forza due temi:
1) Dobbiamo esplorare tutte le possibili aree della produzione di idrogeno, anche se molte si dimostrano troppo costose, inefficienti o poco pratiche. Questo è lunico modo in cui si possono ottenere veri progressi.
2) Lidrogeno lo farà essere il carburante del futuro.
Le uniche domande sono quando e come verrà prodotto.
Come ci si potrebbe aspettare, queste ultime due domande hanno sollevato un notevole disaccordo tra gli esperti, ma meno di quanto ci si potrebbe aspettare.
I più generalmente concordano sul fatto che ci vorranno altri 20 anni prima di vedere lidrogeno dare un contributo significativo al quadro energetico. Calvin afferma: “Entro 25 anni, il 10 percento degli Stati Uniti utilizzerà la cosiddetta economia dellidrogeno”.
Lidrogeno è il carburante più promettente per il futuro. Tutti gli esperti credono che impareremo a produrlo in modo economico. La domanda a cui nessuno può rispondere, però, è quanto presto.
Sono necessarie molte altre ricerche.