최상의 답변
다양한 SpaceX 로켓에는 세 가지 연료가 사용됩니다.
- 원본 Falcon-1 , Falcon-9 및 Falcon-Heavy 는 모두 “ Merlin “엔진을 사용합니다.
- Merlin은 냉각 된 RP-1 ( 산화제로 액체 산소 (LOX)를 사용하는 로켓 추진제 1의 경우 기본적으로 등유입니다.
- 다양한 Dragon 캡슐 은 “ Draco “및 “ SuperDraco “엔진
- Draco 두 가지 화학 물질을 혼합하면 어떤 종류의 점화원도 필요없이 자발적으로 연소되는 “고농도”연료를 사용하십시오. 두 로켓 모두 모노 메틸 히드라진 과 사 산화 질소 를 사용합니다. 발사되면 배기 가스는 매우 특징적인 밝은 주황색입니다.
- StarShip 및 SuperHeavy 는 “Raptor” 엔진을 사용합니다.
- Raptor는 액체 산소 (LCH4)와 함께 액체 메탄 (LCH4)을 연료로 사용합니다. LOX)를 산화제로 사용합니다 ( “Methalox”라고도 함).
메탄으로 전환하는 이유는 무엇입니까?
SpaceX가 StarShip을 화성으로 비행하기를 원하기 때문에 RP-1에서 메탄으로의 전환이 이루어집니다. 그렇게한다면 집으로 돌아 가기에 충분한 연료를 저장할 충분한 공간이 없습니다.
메탄의 좋은 점은 CO2와 수소로 만들 수 있다는 것입니다. 화성의 대기는 거의 모든 CO2이며 수소는 물의 전기 분해를 통해 얻을 수 있습니다. 이는 화성 표면 아래의 얼음처럼 상당히 풍부합니다. 태양 광 발전으로 전기를 생산하면 화성에서 메탄과 산소를 바로 만들 수 있습니다.
계획은 메탈 록스 로켓 연료 공장이 탑재 된 드론 우주선을 보내는 것입니다. 최초의 인간보다 2 년 앞선 연료를 보내면 최초의 유인 임무에 연료를 보급하고 집으로 돌아가는 데 충분한 연료를 공급할 수있을 것입니다.
답변
받는 사람 당황스럽지 않게 수소에 대해 이야기하겠습니다.
수소는 연료입니다.
물에는 수소가 포함되어 있지만 산소와 결합되어 있습니다.
수소는 물에서 방출 될 수 있으며 ( 해리 라는 과정을 통해) 연료로 사용할 수 있습니다. 사실, 물을 전해질로 만들어서 물을 전도시켜야합니다. 매우 간단하고 저렴한 과정입니다.
물에서 나오는 산소도 필요하지 않습니다. 충분한 산소는 대기 중에 자유롭게 사용할 수 있습니다.
수소의 약속의 핵심에는 두 가지 핵심 특성이 있습니다.
첫째, 공급은 사실상 무한합니다. 물을 추출하는 경제적 인 방법 인 물의 성분은 말 그대로 바다의 에너지를 생산하는 데 필요한 유일한 것입니다.
둘째, 수소를 태우는 것은 환경에 해를 끼치 지 않습니다. 단순히 가스를 물의 형태로 되 돌리는 것입니다. .
수소는 에너지 저장 및 분배를위한 독특하고 유연한 매개체입니다. 연료 전지를 사용하여 쉽게 전기로 변환되고 물을 전기 분해하여 전기를 수소로 되돌릴 수 있습니다.
천연 가스에 사용되는 것과 유사한 파이프 라인을 통해 전송되기 때문에 지금은 전기처럼 대규모 원격 발전소에서 개별 가정 및 공장으로 에너지를 전달할 수 있지만 훨씬 더 효율적입니다.
그리고 전기와 달리 수소는 차량에 연료를 공급하거나 p의 기간 동안 전력을 저장하기 위해 탱크에 보관할 수 있습니다. 수요가 적습니다.
The Hydrogen Letter 의 편집자 겸 발행인 Peter Hoffman은 다음과 같이 말합니다. “수소는 다른 모든 것이 고갈되거나 작동하지 않거나 환경 적으로 불쾌한 것으로 판명 될 때의 선입니다. “
대부분의 사람들에게 수소라는 단어는 즉시 Hindenburg의 유령을 떠올리게합니다. 비행 가능, 뉴저지 시골에서 폭발.
▲ 뉴저지 주 레이크 허스트에서 연소하는 모델 LZ-129 Hindenburg
그러나 더 객관적인 분석에 따르면 수소는 연료로 사용되는 다른 가연성 물질보다 더 위험하지 않으며 중요한 안전상의 이점입니다.
역시 적으로, Hindenburg 사건 자체가 적절한 사례입니다.
수백 건으로 폭발했지만 지상에서 몇 피트, 항공 선의 97 명의 승객 중 62 명이 살아 남았습니다. ght 가스는 타면서 우주선에서 솟아 올랐으며 비교적 짧은 폭발에 소모되었습니다.
Kerosene 제트 연료는 잔해에 달라 붙어 오랫동안 격렬하게 연소되어 주변의 모든 사람을 죽일 가능성이 있습니다.
그래도 Hindenburg 는 일반 대중이 수소를 받아들이는 데있어 여전히 큰 장애물입니다.
그러나 실제적인 관점에서 실제 문제는 공학 및 경제와 관련이 있습니다.
물 전기 분해의 중요한 새로운 발전에서 얇은 플라스틱과 같은 시트는 실제로 전해질이며 고체입니다. 기존의 전기 분해에서 물과 함께 사용되는 액체 수산화 칼륨 전해질보다 훨씬 우수한 이온 전도체 인 고분자 물질입니다.
결과는 동일한 양의 전기 에너지를 사용하여 더 많은 수소를 사용할 수 있습니다.
수소 생산 분야에서 진행되고있는 다양한 발전 중 하나 일뿐입니다.
기타에는 다음이 포함됩니다.
• 태양이 전극에 비치면 물을 분리하는 전기 분해 시스템 .
• 요소 분말 석탄과 물을 사용하는 ctrolysis 공정으로 기존 전기 분해에 필요한 전기량의 절반 만 필요합니다. • 햇빛에 노출되면 물을 분리하는 생물학적 유기체 및 물질.
• 강렬한 열을 통해 물이 쪼개지는 열화학 순환
수소 생산에 대한 모든 집중적 인 연구가 필요한 이유는 무엇입니까?
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두 가지 이유.
첫째, 수소는 많은 제조 공정에서 화학 원료로 산업적으로 널리 사용됩니다. 오늘날 대부분의 수소는 상대적으로 공급이 부족한 천연 가스와 석유에서 비롯됩니다.
둘째, 공급 부족이 공급되지 않으면 다른 수소 공급원과 기타 연료 공급원이 필요합니다.
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다행히 자연의 금고에는 사실상 무한한 수소 공급이 포함되어 있습니다. 잠금을 해제하려면 조합을 찾아야합니다.
지구 표면의 75 \%가 물로 덮여 있습니다.
물의 모든 분자에는 두 개의 수소 원자가 있습니다. 산소 중 하나입니다.
그 물에 갇힌 수소를 경제적으로 추출하는 법을 배울 수 있다면 연료 걱정은 끝날 것입니다.
수소는 가솔린보다 더 나은 연료입니다.
무공해, 태우면 다시 물로 바뀝니다.
어떤 연료보다 파운드당 더 많은 에너지를 담습니다. 예를 들어 휘발유 1 파운드당 잠재적 열 에너지 19,000Btu, 액체 수소 1 파운드.
수소 경제를 가로막는 가장 큰 문제는 비용입니다.
이 두 개의 수소 원자는 그 산소 원자와 매우 친근합니다.
분리하면 에너지가 필요합니다.
수십 년 동안 사용되어 온 물을 분리하는 표준 상업적 방법 인 물의 전기 분해를 통해 에너지는 값 비싼 전기에서 나옵니다.
“전해 오늘날의 수소 비용은 $ 15— 백만 Btu 당 25 달러 “라고 Brookhaven National Laboratory의 Al Mezzina는 말합니다. “가솔린은 백만 Btu 당 $ 6 ~ $ 8 정도입니다.”
비용 때문에 전해 수소는 생산되는 모든 수소의 약 1 \%에 불과합니다.
특히 순수한 곳에서 사용됩니다. 예를 들어 금속 가공 및 반도체 제조 공정에서 수소가 필요합니다.
하지만 미래가 완전히 암울하지는 않습니다.
언젠가 언급 한 시스템의 일부 또는 전부가 수소 생산에서 중요한 역할을합니다.
자세히 살펴보세요.
전기 분해의 발전
기존의 전기 분해는 물과 수산화 칼륨 용액에 잠긴 두 전극에 DC 전압을 적용합니다. 전류가 흐르면 전극 사이에서 이온과 전자가 교환됩니다. 수소 원자는 음극 (음극)에 모이고 산소 원자는 양극 (양극)에 모입니다. 전극 사이의 분리기는 가스를 분리합니다.
오늘날 Brookhaven의 연구원과 과학자들은 인공 전기가 필요하지 않다는 점을 제외하고는 기존 전기 분해 시스템과 유사한 실험 시스템을 연구하고 있습니다. 기존의 전기 분해와 마찬가지로 시스템은 두 개의 전극을 사용합니다. 차이점은 양극이 산화철로 만들어진 특수 감광 반도체라는 점입니다.
“물과 수산화 칼륨 용액에서 부식을 방지하기 위해 이산화 티타늄 박막으로 코팅되어 있습니다. “실험에 참여한 과학자 중 한 명인 Chiang Yang 박사는 말합니다. 햇빛이 시스템에 비치면 양극에서 전위가 생성되어 전류가 흐르게됩니다. 전자와 이온 교환은 기존의 전기 분해 시스템에서와 마찬가지로 발생합니다.
“이 방식으로 양극에서 일어나는 일을 생각할 수 있습니다.”라고 Yang은 설명합니다. “태양 광이 반도체 전극에 닿으면 일부 전자는 매우 흥분되어 위치가 바뀝니다. 마치 극장의 개인이 다른 사람들이 자리를 차지할 수 있도록 일어납니다. 이로 인해 구멍이 채워집니다. 물에서 나온 다른 전자는 구멍을 채우면 물이 쪼개집니다.그러나 때로는 흥분된 전자가 물에서 나온 다른 전자가 들어 오기 전에 비워진 구멍으로 다시 이동합니다. 마치 극장에있는 많은 사람들이 자리에서 일어나 더 잘 생각하고 다시 앉은 것처럼 요. 이것은 낭비되는 동작이며 열만 생성합니다. 우리는 그것을 재조합이라고 부릅니다. 우리는 효율성을 높이고 싶다는 또 다른 표현 인 재조합을 최소화하고 싶습니다. “
지금까지 시스템은 소규모 실험실 모델로만 존재합니다.
감소 재결합 률은 그 단계를 넘어 서기 전에 해결해야 할 많은 문제 중 하나 일뿐입니다.
그리고 양 박사는 과도한 낙관주의에 대해 경고합니다. “광전 해의 전반적인 계획에서 우리가 한 것은 “하지만 이것은 실용적인 광전 해 전지를 개발하는 과정에서 중요한 단계입니다. 그러나 태양 광과 반도체 전극을 사용하는이 시스템과 다른 유사한 시스템을 충분히 탐구해야합니다. 버그를 해결할 수 있다면 , 그들은 수소 생산에 중요한 역할을 할 수 있습니다. “
전기 분해에 대한 실험적인 광 화학적 접근은 또한 해리 B. 그레이 교수가 이끄는 Caltech의 그룹. 실험자들은 고체 전극을 사용하지 않고 대신 고유 한 인공 분자 (핵심에 금속 로듐이있는 유기 복합체)를 사용했습니다. 물에 용해되어 햇빛에 노출되면 화학 물질이 물 분자를 분해하여 수소를 방출합니다. Gray의 연구팀의 일원 인 Virginia Houling 박사는 “이것이 상업적으로 실용적 일지 말하기에는 너무 이르다”고 말합니다. “우리는 이러한 시스템을 통해 기술의 최첨단에 있습니다.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
전기 분해에 대한 또 다른 유망한 접근 방식은 매사추세츠 주 윌 밍턴에서 개발 된 GE 고체 전해질 시스템입니다. 고체 고분자 재료는 10입니다. mil 두께이며 전극 재료의 얇은 필름으로 양면이 코팅되어 있습니다. “이 시스템은 다양한면에서 중요합니다.”고체 고분자 전해질 전해 프로그램의 GE 프로그램 관리자 인 Jack Russell은 말합니다. 이는 본질적으로 동일한 전기량으로 더 많은 수소를 생산할 수 있음을 의미합니다. 그리고 부식성 액체 전해질을 사용하지 않습니다. “
코네티컷 대학에서 또 다른 전기 분해 시스템이 매우 초기 실험 단계에 있습니다. Robert Coughlin 교수는 기존의 전해조와 수산화 나트륨 또는 산 수용액을 사용합니다. 그러나 그는 또한 미세 분말 석탄을 추가합니다. 즉, 터빈에 사용되는 석탄 전기 설비 유형입니다. 분말 석탄은 주어진 양의 수소를 생산하는 데 필요한 전기량을 50 \%까지 줄이는 흥미로운 효과가 있습니다. 석탄은 산화되어 소비됩니다. 그러나 산화에 의해 생성 된 에너지는 전기 분해에 필요한 전기 에너지의 양을 줄입니다.
초기 실험실 작업의 최종 결과가 무엇인지 Coughlin은 확신하지 못합니다.
“하지만 전기 비용을 50 \%까지 줄일 수있는 가능성이 있다면 확인해야합니다.”라고 그는 말합니다. 그리고 우리는 엄청난 양의 석탄을 보유하고 있습니다. “
어떤 형태의 전기 분해, 아마도 다른 지역의 다양한 형태가 결국 수소 생산에 중요한 역할을 할 것이라고 의심하는 전문가는 거의 없습니다.
예를 들어 Brookhaven의 Mezzina는 “광전지에 대한 연구가 충분히 저렴하고 실용적인 수준으로 발전함에 따라 Sun Belt의 전해조는 태양 전지로 구동 될 수 있습니다. 태양이 많지 않은 지역에서는” 그러나 많은 수력 발전, 수력 발전소는 물을 쪼개는 에너지를 공급할 수 있습니다. 다른 곳에서는 원자력 발전소가 전기를 공급할 수 있습니다. “
물을 열로 쪼개
원자력 발전소 열 화학적 해리라는 다른 접근 방식으로 열을 공급할 수도 있습니다.
연구자들은 물이 화씨 3,700도까지 가열되면 자연적으로 산소와 수소로 분해된다는 사실을 오랫동안 알고있었습니다.
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하지만이 방법에는 문제가 있습니다. 그 중에서도 이러한 온도를 지속적으로 견딜 수있는 용기 재료가 부족한 것은 아닙니다.
또한이를 얻을 수있는 실용적인 방법도 없습니다. 이러한 온도.
그러나 특정 무기 화합물 (예 : 이산화황 및 요오드)을 물에 추가하면 물은 훨씬 낮은 온도 (화씨 1,400도)에서 일련의 화학 반응을 통해 분해됩니다.
공정이 끝나면 무기 화합물이 재생되고 공정을 다시 시작할 준비가됩니다. 지금까지 사용 된 화학 순환은 기존의 실험실 용광로에서 열을 유도했습니다.
“우리는 원자로에 실제 연결하는 데 아직 몇 년이 걸리지 않았습니다.”General의 화학 관리자 인 Giovanni Caprioglio 박사는 말합니다. 캘리포니아 주 샌디에이고 소재 Atomic Corp.
General Atomic은 열화학 연구의 선두 주자 중 하나입니다.
한 가지 문제는 필요한 1,400도에서 열을 제공 할 수있는 유일한 종류의 원자로가 가스 냉각 식이라는 것입니다. 원자로 “. 그리고 그들 중 단 2 개만이 세계에서 작동하고 있습니다.”라고 Caprioglio는 말합니다. “하나는 콜로라도에 있고 다른 하나는 독일에 있습니다.”
태양열 집열기의 열도 효과가있을 수 있습니다. 조지아 공대는 필요한 열을 공급할 수있는 태양열 집열기를 만들었습니다. Caprioglio는 “그러나 효율은 원자로의 경우만큼 크지 않을 수 있습니다.”라고 말합니다.
“현재로서는 기술적 인 문제 (예 : 내열성 물질이 해결됨에 따라 비용과 효율성을 합리적인 수준으로 끌어 올릴 수 있습니다. “라고 열화학 사이클에 대한 연구도 진행중인 Los Alamos National Scientific Laboratories의 Caroline Mason은 말합니다. “하지만 우리는 그것을 알아 내기 위해 그것을 추구해야합니다.”
Caprioglio도 동의합니다. “모든 것이 계획대로 진행되면 실질적인 화학 공학 시연 프로세스가있을 것이며 우리는 데이터 수집을 시작하고 몇 가지 심각한 효율성 및 비용 분석 수치를 내려 놓을 것입니다.”
생물학적 물 분할
지구에는 전기, 열, 첨단 기술 또는 노력없이 물을 분할하는 생물이 있습니다. 녹색 식물입니다. 녹색 식물 인 엽록소를 사용하여 햇빛의 에너지를 포착하여 물과 이산화탄소를 우리가 호흡하는 산소와 탄소, 수소, 산소를 포함하는 에너지가 풍부한 화합물 인 탄수화물로 전환합니다.
광합성이라는 과정은 지구상 대부분의 생명체의 기초입니다.
이 관찰은 일부 연구자들이 모든 실험 경로 중에서 가장 이국적이고 먼 곳을 따르도록 자극했습니다. 물 분해 : 식물 자체의 광합성 과정을 수정하여 수소가 탄수화물에 갇히지 않고 자유 로워집니다.
Oak Ridge National Laboratory에서 실험자들은 수소를 생성하기 위해 시금치 엽록체 (녹색 식물에서 광합성이 발생하는 원반 모양 구조)와 담수 조류를 모두 사용하는 방법을 조사하고 있습니다. Oak Ridge Lab “의 Elias Greenbaum 박사는 다음과 같이 말했습니다 :”화석 연료가 너무 비싸거나 사용할 수 없게 될 때 개발되고 개발 될 새로운 에너지 원 중에서 광 생물학적 수소 생산이 대신 할 수있을 가능성이 있습니다. “
아무도이 모든 연구의 결과가 어떻게 될지 예측할 수 없습니다.
수소 생산 분야의 많은 과학자와 연구자들은 두 가지 주제를 강하게 표명했습니다.
1) 우리는 많은 비용이 너무 비싸거나 비효율적이거나 비현실적인 것으로 입증 되더라도 수소 생산의 가능한 모든 영역을 탐색해야합니다. 이것이 진정한 진전을 이룰 수있는 유일한 방법입니다.
2) 수소는 미래의 연료가 될 수 있습니다.
유일한 질문은 언제 어떻게 생산 될 것인가입니다.
예상 할 수 있듯이이 마지막 두 가지 질문은 전문가들 사이에 상당한 의견 차이를 불러 일으켰습니다. 예상보다 적습니다.
대부분 일반적으로 수소가 중요한 기여를하는 것을보기까지 20 년이 더 걸릴 것이라는 데 동의했습니다. 에너지 그림에. Calvin은 “25 년 이내에 미국의 10 \%가 이른바 수소 경제에 참여하게 될 것입니다.”라고 말합니다.
수소는 미래를위한 가장 유망한 연료입니다. 모든 전문가들은 “경제적으로 생산하는 법을 배울 것”이라고 믿습니다.하지만 아무도 대답 할 수없는 문제는 얼마나 빠른가입니다.
더 많은 연구가 필요합니다.