ベストアンサー
さまざまなSpaceXロケットで使用される3つの異なる燃料があります。
- 元の Falcon-1 、 Falcon-9 、および Falcon-Heavy はすべて「 Merlin 」エンジンを使用します。
- MerlinはチルドRP-1（スタンド「ロケット推進剤1」の場合、基本的には灯油です）、酸化剤として液体酸素（LOX）を使用します。
- さまざまなドラゴンカプセルは、 「ドラコ」および「スーパードラコ」エンジン。
- ドラコの「ハイパーゴリック」燃料を使用します。これは、2つの化学物質を混合すると、発火源を一切必要とせずに自然に燃焼することを意味します。どちらのロケットもモノメチルヒドラジンと四酸化二窒素を使用しています。彼らが発砲すると、排気は非常に特徴的な明るいオレンジ色になります。
- StarShip と SuperHeavy は「Raptor」エンジンを使用します。
- Raptorは液体酸素（LCH4）を燃料として使用します。 LOX）を酸化剤として（これは「メタロックス」と呼ばれることもあります）。
なぜメタンに切り替えるのですか？
スペースXがスターシップを火星に飛ばしたいので、RP-1からメタンへの切り替えが起こります-そしてそうすると、家に帰るのに十分な燃料を貯蔵するのに十分なスペースが船上にありません。
メタンの良いところは、CO2と水素から作ることができることです。それに加えて、十分な電力を供給できます。火星の大気はほとんどすべてCO2であり、水素は水の電気分解によって得られる可能性があります。これは火星の表面下の氷のようにかなり豊富です。太陽光発電で火星にメタンと酸素を作ることができます。
計画では、メタロックスロケット燃料工場を搭載したドローン船を送ります。彼らが最初の人間より数年早くそれを送るならば、それは燃料を補給して家に帰る最初の有人任務のために十分な燃料を作ることができるはずです。
答え
へ恥ずかしさをたくさん省いて、水素についてお話します。
水素は燃料です。
水には水素が含まれていますが、酸素と結合しています。
水素は水から放出され（解離として知られるプロセスによって）、燃料として使用できます。実際には、水を電解質にして導電性にする必要があります。 非常にシンプルで安価なプロセスです。
水からの酸素も必要ありません。十分な酸素が大気中で自由に利用できます。
水素の核心には、2つの重要な性質があります。
まず、水素の供給は事実上無制限です。水の成分である、それを抽出する経済的な方法は、文字通りのエネルギーの海を作り出すために必要な唯一のものです。
第二に、水素の燃焼は環境に害を与えません。それは単にガスを水の形に戻します。 。
水素は、エネルギーの貯蔵と分配のための独自の柔軟な媒体でもあります。燃料セルを使用すると簡単に電気に変換でき、水を電気分解することで電気を水素に戻すことができます。
天然ガスに使用されるものと同様のパイプラインを介して送られ、現在の電気と同じように、大規模な遠隔発電所から個々の家庭や工場にエネルギーを運ぶことができますが、はるかに効率的です。
電気とは異なり、水素はタンクに貯蔵して車両に燃料を供給したり、pの期間電力を貯蔵したりすることができます
水素レターの編集者兼発行者であるPeterHoffmanの言葉によると、「水素は最後の燃料です。他のすべてが使い果たされたとき、実行不可能であるか、環境的に好ましくないと判断されたときの線。」
ほとんどの人にとって、水素という言葉はすぐにヒンデンブルクの亡霊を思い起こさせます。 飛行船で、ニュージャージーの田園地帯で爆発します。
▲ニュージャージー州レイクハーストで燃えているモデルLZ-129ヒンデンブルク
しかし、より客観的な分析により、水素は燃料として使用される他の可燃性物質よりも危険ではなく、安全上の大きな利点。
皮肉なことに、その好例はヒンデンブルク事件そのものです。
数百回爆発しましたが、地上から数フィート離れたところで、飛行船の97人の乗客のうち62人が生き残った。 ghtガスは、燃焼するにつれて機体から離れて上昇し、比較的短時間の爆発で消費されました。
ケロセンジェット燃料は残骸に付着し、長時間猛烈に燃え、近くの全員を殺した可能性があります。
それでも、ヒンデンブルクは、一般の人々の間で水素が受け入れられることへの本当の障害であり続けています。
しかし、実際的な観点からは、実際の問題は工学と経済に関係しています。
水の電気分解における重要な新しい開発では、薄いプラスチックのようなシートは実際には電解質であり、固体です。従来の電気分解で水とともに使用される液体水酸化カリウム電解質よりもはるかに優れたイオン伝導体であるポリマー材料。
結果？同じ量の電気エネルギーでより多くの水素を使用します。
これは、水素製造の分野で行われているさまざまな進歩の1つにすぎません。
その他には次のものがあります。
•太陽が電極に当たると水を分解する電気分解システム。
•要素微粉炭と水を使用する分解プロセスで、従来の電気分解に必要な電力の半分しか必要としません。 •日光にさらされると水を分解する生物と物質。
•強烈な熱によって水を分解する熱化学サイクル。
なぜ水素生産に関するすべての集中的な研究があるのですか？
2つの理由。
1つは、水素は多くの製造プロセスの化学原料として工業的に広く使用されています。今日のほとんどの水素は、比較的供給が不足している天然ガスと石油から供給されます。
2つ目は、その不足が供給されなくなった場合、「他の水素源と他の燃料源が必要になる」ということです。 p>
幸いなことに、自然の金庫には事実上無尽蔵の水素が含まれています。ロックを解除するには、組み合わせを見つける必要があります。
地球の表面の75％は水で覆われています。
水のすべての分子には2つの水素原子があり、酸素の1つ。
その水に閉じ込められた水素を経済的に抽出する方法を学ぶことができれば、燃料の心配はなくなります。
水素はガソリンよりも優れた燃料です。
無公害で、燃焼すると水に戻ります。
どの燃料よりも1ポンドあたりのエネルギーが多くなります。たとえば、ガソリン1ポンドあたり19,000 Btuの潜在的な熱エネルギー、61,000 1ポンドの液体水素。
水素経済の妨げとなる最大の問題はコストです。
これら2つの水素原子は、その酸素原子と非常に友好的です。
それらを分解するにはエネルギーが必要です。
水の電気分解（数十年にわたって使用されてきた、水の電気分解の標準的な商業的方法）では、そのエネルギーは高価な電気から発生します。
「電気分解今日の水素のコストは約$ 15〜100万Btuあたり25ドル」と、ブルックヘブン国立研究所のAlMezzina氏は述べています。 「ガソリンは100万Btuあたり6ドルから8ドルのようなものです。」
その費用のために、電解水素は生成されるすべての水素の約1パーセントしか構成しません。
特に純粋な場所で使用されますたとえば、金属処理や半導体製造プロセスでは水素が必要です。
しかし、将来は完全に暗いわけではありません。
上記のシステムの一部またはすべてがいつか再生される可能性があります。水素製造における重要な役割。
それらを詳しく見てください。
電気分解の進歩
従来の電気分解では、水と水酸化カリウムの溶液に浸した2つの電極にDC電圧を印加します。電流が流れると、電極間でイオンと電子の交換が起こります。水素原子は負極（陰極）に集まり、酸素原子は正極（陽極）に集まります。電極間のセパレーターがガスを分離します。
今日、ブルックヘブンの研究者と科学者は、人工電気の必要性を排除することを除いて、従来の電気分解システムと同様の実験システムに取り組んでいます。従来の電気分解と同様に、システムは2つの電極を使用します。違いは、アノードが酸化鉄で作られた特殊な感光性半導体であるということです。
「水と水酸化カリウムの溶液中で腐食するのを防ぐために、二酸化チタンの薄膜でコーティングされています。 「実験に携わった科学者の一人であるチェンヤン博士は言います。システムに太陽光が当たると、アノードに電位が発生し、電流が流れます。従来の電気分解システムと同じように、電子とイオンの交換が行われます。
「このようにしてアノードで何が起こるかを考えることができます」とYang氏は説明します。 「太陽光が半導体電極に当たると、一部の電子は非常に励起されて位置を変えます。まるで劇場の人が起き上がって他の人に席を譲らせるようなものです。これにより穴が埋められます。水からの他の電子は穴を塞ぐと、水が分裂します。しかし、興奮した電子は、水からの他の電子が入る前に、空いた穴に戻ることがあります。まるで、劇場の人々の多くが席から立ち上がって、よく考えて、再び座ったようです。これは無駄な動きであり、熱しか発生しません。それを組換えと呼びます。再結合を最小限に抑えたいのです。これは、効率を上げたいという別の言い方です。」
これまでのところ、システムは小さな実験室モデルとしてのみ存在しています。
減少再結合率は、その段階を超えて進行する前に解決しなければならない多くの問題の1つにすぎません。
そして、ヤン博士は過度の楽観主義に対して警告します。「光電解の全体的なスキームにおいて、私たちが行ったことは「しかし、それは実用的な光電解セルの開発への道に沿った重要なステップです。しかし、太陽光と半導体電極を使用するこのシステムや他の同様のシステムを十分に検討する必要があります。バグを解決できれば、それらは水素生成において重要な役割を果たす可能性があります。」
電気分解への実験的な光化学的アプローチもハリー・B・グレイ教授が率いるカルテックのグループ。実験者は、固体電極を使用せず、代わりに独自の人工分子（コアに金属ロジウムを含む有機錯体）を使用します。水に溶解して日光にさらされると、化学物質は水分子を分解し、水素を放出します。 「これが商業的に実用的であるかどうかを判断するには時期尚早です」と、グレイの研究チームのメンバーであるバージニア・フーリング博士は言います。 「私たちはこれらのシステムでテクノロジーの最先端にいます。」
電気分解へのもう1つの有望なアプローチは、マサチューセッツ州ウィルミントンで開発されたGE固体電解質システムです。固体ポリマー材料は10です。厚さミルで、両面が電極材料の薄いフィルムでコーティングされています。「このシステムはさまざまな点で重要です」と、固体高分子電解質電解プログラムのGEプログラムマネージャーであるジャックラッセルは述べています。「従来の同等のシステムよりも効率的です。これは基本的に、同じ量の電気でより多くの水素を生成できることを意味します。また、苛性液体電解質を使用していません。」
コネチカット大学では、まだ別の電解システムが実験の初期段階にあります。RobertCoughlin教授は、従来の電解槽と水酸化ナトリウムまたは酸の水溶液を使用しています。しかし、彼はまた、微粉末石炭を追加します。これは、電気事業者がタービンで燃焼するタイプの石炭です。粉末石炭には、一定量の水素を生成するために必要な電力量を50％削減するという興味深い効果があります。石炭は酸化して消費されます。その過程で、酸化によって生成されたエネルギーにより、電解に必要な電気エネルギーの量が減少します。
彼の最初の実験室での作業の最終結果はどうなるか、Coughlinは確信が持てません。
「しかし、電気コストを50％削減できる可能性がある場合は、それを確認する必要があります」と彼は言います。そして、私たちは膨大な量の石炭を供給しています。」
ある種の電気分解、おそらく異なる地域のさまざまな形態が、最終的に水素生産に重要な役割を果たすことを疑う専門家はほとんどいません。
たとえば、ブルックヘブンのメッツィーナ氏は、「太陽電池の研究が十分に安価で実用的なものになるまで発展するにつれて、サンベルトの電解槽は太陽電池を動力源とする可能性があります。太陽があまりない地域ではしかし、十分な水力発電があるため、水力発電所は水分解エネルギーを供給する可能性があります。さらに他の場所では、原子力発電所が電力を供給する可能性があります。」
水を熱で分割する
無機植物また、水分解の別のアプローチである熱化学的解離のために熱を供給することもできます。
研究者は、水が3,700°Fに加熱されると自然に酸素と水素に分解することを長い間知っていました。
ただし、この方法には問題があります。特に、このような温度に長期間耐えることができる容器の材料が不足していることです。
また、実際に入手する方法はありません。
ただし、特定の無機化合物（たとえば、二酸化硫黄やヨウ素）を水に加えると、水ははるかに低い温度（1,400°F）で一連の化学反応によって分解されます。
プロセスの最後に、無機化合物が再生され、プロセスを再開する準備が整います。まだ非常に実験的です。これまで使用されてきた化学サイクルは、従来の実験炉から熱を引き出しています。
「原子炉への実際の接続からまだ何年も離れています」と、Generalの化学マネージャーであるGiovanniCaprioglio博士は述べています。カリフォルニア州サンディエゴのAtomicCorp。
GeneralAtomicは熱化学研究のリーダーの1つです。
1つの問題は、必要な1,400度の温度で熱を提供できる唯一の種類の原子炉がガス冷却であるということです。原子炉」。そして、世界で働いているのはそのうちの2つだけです」とCaprioglioは言います。 「1つはコロラドにあり、もう1つはドイツにあります。」
ソーラーコレクターからの熱も機能する可能性があります。ジョージア工科大学は、必要な熱を供給することができるソーラーコレクターを構築しました。 「しかし、効率は原子炉の場合ほど大きくないかもしれません」とカプリオグリオ氏は言います。
「現時点では、技術的な問題があったとしても、絶対に確実に言うことはできません。耐熱材料）が解決されると、コストと効率を妥当なレベルに引き上げることができます」と、熱化学サイクルの研究も行われているロスアラモス国立科学研究所のキャロラインメイソンは述べています。 「しかし、私たちはそれを見つけるためにそれを追求しなければなりません。」
カプリオリオは同意します。 「すべてが計画どおりに進んだら、かなりの化学工学のデモンストレーションプロセスがあり、データの収集を開始し、効率とコスト分析の数値を大幅に削減します」と彼は言います。
生物学的な水分解
地球上には、電気、熱、高度な技術、または労力なしで水を分解する生き物がいます。もちろん、緑の植物です。緑がかった化合物であるクロロフィルを使用して、日光のエネルギーを取り込み、水と二酸化炭素を私たちが呼吸する酸素と、炭素、水素、酸素を含むエネルギー豊富な化合物、つまり炭水化物に変えます。
プロセスである光合成は、地球上のほとんどの生命の基礎です。
この観察により、一部の研究者は、すべての実験経路の中でおそらく最もエキゾチックで、はるかに遠いものをたどるようになりました。水分解：植物を改変する」独自の光合成プロセスにより、水素が炭水化物に閉じ込められるのではなく、解放されます。
オークリッジ国立研究所では、実験者がほうれん草の葉緑体（緑の植物で光合成が起こる円盤状の構造）と淡水藻の両方を使用して水素を生成することを調査しています。 Oak RidgeLabのDr.Elias Greenbaumは、次のように述べています。 / p>
このすべての研究の結果がどうなるかを実際に予測できる人は誰もいません。
水素製造の分野の多くの科学者や研究者は、2つのテーマを強く表明しました：
1）コストが高すぎる、非効率的、または非現実的であることが判明した場合でも、水素製造のすべての可能な領域を調査する必要があります。それが実際の進歩を達成できる唯一の方法です。
2）水素は
唯一の質問は、いつ、どのように生産されるかです。
予想されるように、これらの最後の2つの質問は、専門家の間でかなりの意見の相違を引き起こしましたが、予想よりも少ない。
水素が重要な貢献をするのを見るまでには、さらに20年かかるとほとんどの人が同意した。エネルギーの絵に。 Calvin氏は、「25年以内に、米国の10％がいわゆる水素経済に移行するでしょう」と述べています。
水素は将来の最も有望な燃料です。すべての専門家は、私たちがそれを経済的に生産することを学ぶと信じています。しかし、誰も答えることができない質問は、どれくらい早くかです。
さらに多くの調査が必要です。