Beste antwoord
Er worden drie verschillende brandstoffen gebruikt in de verschillende SpaceX-raketten.
- Het origineel Falcon-1 , de Falcon-9 en de Falcon-Heavy gebruiken allemaal de “ Merlin ” -motoren.
- Merlin gebruikt gekoelde RP-1 (wat staat voor “Rocket Propellant 1” en is in feite kerosine) met vloeibare zuurstof (LOX) als oxidatiemiddel.
- De verschillende Dragon-capsules gebruiken de “ Draco ” en “ SuperDraco ” motoren.
- De Dracos gebruik een “hypergolische” brandstof, wat betekent dat je twee chemicaliën mengt en ze spontaan ontbranden – zonder dat hiervoor een ontstekingsbron nodig is. Beide raketten gebruiken monomethylhydrazine en stikstoftetroxide . Wanneer ze vuren, is de uitlaat heel karakteristiek fel oranje.
- Het StarShip en SuperHeavy gebruikt de “Raptor” -motoren.
- Raptor gebruikt vloeibaar methaan (LCH4) als brandstof met vloeibare zuurstof ( LOX) als oxidatiemiddel (dit wordt ook wel “Methalox” genoemd).
WAAROM OMSCHAKELEN NAAR METHAAN?
De overstap van RP-1 naar methaan komt doordat SpaceX met StarShip naar Mars wil vliegen – en als ze dat doen, is er niet genoeg ruimte aan boord om genoeg brandstof op te slaan om weer thuis te komen.
Het leuke van methaan is dat het gemaakt kan worden uit CO2 en waterstof – plus een goede toevoer van elektriciteit. De atmosfeer op Mars bestaat bijna geheel uit CO2 en waterstof kan worden verkregen door de elektrolyse van water – dat vrij talrijk is als ijs onder het oppervlak van Mars. Met zonne-energie die elektriciteit opwekt, kunnen ze methaan EN zuurstof daar op Mars maken.
Het plan is om een droneschip met een methalox-raketbrandstoffabriek aan boord te sturen. Als ze het een paar jaar eerder dan de eerste mensen uitzenden, zou het genoeg brandstof moeten kunnen maken voor de eerste bemande missie om bij te tanken en naar huis terug te keren.
Antwoord
Aan bespaar je veel verlegenheid, ik zal het hebben over waterstof.
Waterstof is brandstof.
Water bevat waterstof, maar is gebonden aan zuurstof.
Als de waterstof kan worden vrijgemaakt uit water (door een proces dat bekend staat als dissociatie ), je kunt het als brandstof gebruiken. In feite moet u water geleidend maken door er een elektrolyt van te maken; vrij eenvoudig en goedkoop proces.
Je hebt zelfs geen zuurstof uit water nodig; voldoende zuurstof is vrijelijk beschikbaar in de atmosfeer.
De kern van de belofte van waterstof zijn twee belangrijke kwaliteiten.
Ten eerste is de voorraad ervan vrijwel onbeperkt. Omdat het een primaire water, een economische methode om het te extraheren is het enige dat nodig is om letterlijk oceanen van energie te produceren.
Ten tweede is het verbranden van waterstof niet schadelijk voor het milieu. Het geeft het gas eenvoudig terug in de vorm van water .
Waterstof is ook een uniek flexibel medium voor de opslag en distributie van energie. Het wordt gemakkelijk omgezet in elektriciteit door het gebruik van een brandstofcel en elektriciteit kan weer worden omgezet in waterstof door water te elektrolyseren. / p>
Doorgeleid via pijpleidingen die vergelijkbaar zijn met die welke voor aardgas worden gebruikt, kan het energie van grote, afgelegen elektriciteitscentrales naar individuele huizen en fabrieken transporteren zoals elektriciteit dat nu doet, maar dan met veel grotere efficiëntie.
In tegenstelling tot elektriciteit kan waterstof in tanks worden bewaard om voertuigen van brandstof te voorzien of om stroom op te slaan voor perioden van p eak vraag.
In de woorden van Peter Hoffman, redacteur en uitgever van The Hydrogen Letter : “Waterstof is de brandstof aan het einde van de lijn wanneer al het andere is uitgeput, onwerkbaar of ecologisch verwerpelijk bevonden. “
Voor de meeste mensen roept het woord waterstof onmiddellijk het spook op van de Hindenburg luchtschip, exploderend boven het platteland van New Jersey.
▲ Het model LZ-129 Hindenburg brandt in Lakehurst, New Jersey
Toch onthult een objectievere analyse dat waterstof niet gevaarlijker is dan andere brandbare materialen die als brandstof worden gebruikt, en dat er zelfs aanzienlijke veiligheidsvoordelen.
Ironisch genoeg is een voorbeeld hiervan het Hindenburg -incident zelf.
Hoewel het honderden van de voeten van de grond, 62 van de 97 passagiers van het luchtschip overleefden, mede door lightwei ght gas steeg uit het vaartuig terwijl het brandde, en werd verbruikt in een relatief korte explosie.
Kerosinemotorbrandstof zou zich aan het wrak hebben vastgeklampt en lange tijd woedend hebben gebrand, waardoor waarschijnlijk iedereen in de buurt omkwam.
Toch, de Hindenburg blijft een echt obstakel voor de acceptatie van waterstof bij het grote publiek.
Van een Vanuit praktisch oogpunt hebben de echte problemen echter te maken met techniek en economie.
In een belangrijke nieuwe ontwikkeling in de elektrolyse van water is een dunne plasticachtige plaat eigenlijk de elektrolyt, een vaste stof- polymeer materiaal dat een veel betere ionengeleider is dan de vloeibare kaliumhydroxide-elektrolyt die wordt gebruikt met water bij conventionele elektrolyse.
Het resultaat: meer waterstof voor dezelfde hoeveelheid gebruikte elektrische energie.
Het is slechts een van de vele vorderingen die worden gemaakt op het gebied van waterstofproductie.
Andere zijn:
• Een elektrolysesysteem dat water splitst wanneer de zon op zijn elektroden schijnt .
• Een ele ctrolyseproces dat poederkool en water gebruikt, waardoor slechts de helft van de hoeveelheid elektriciteit nodig is die nodig is bij conventionele elektrolyse. • Biologische organismen en materialen die water splitsen bij blootstelling aan zonlicht.
• Thermochemische cycli die watersplitsing veroorzaken door intense hitte.
Waarom al het intensieve onderzoek naar waterstofproductie?
Twee redenen.
Ten eerste wordt waterstof op grote schaal industrieel gebruikt als chemische grondstof voor veel productieprocessen. De meeste waterstof is tegenwoordig afkomstig van aardgas en aardolie, die relatief schaars zijn.
Ten tweede, als dat tekort geen aanbod wordt, hebben we andere bronnen van waterstof en andere brandstofbronnen nodig.
Gelukkig bevat natuurveilig een vrijwel onuitputtelijke voorraad waterstof. We moeten gewoon de combinatie vinden om het te ontgrendelen.
Vijfenzeventig procent van het aardoppervlak is bedekt met water.
Elke watermolecule heeft twee waterstofatomen en een van zuurstof.
Als we kunnen leren om economisch de waterstof te extraheren die in dat water zit, zullen onze brandstofzorgen voorbij zijn.
Waterstof is een betere brandstof dan benzine.
Verontreinigingsvrij, wordt het bij verbranding weer water.
Het bevat meer energie per pond dan welke brandstof dan ook – bijvoorbeeld 19.000 Btu potentiële warmte-energie voor een pond benzine, 61.000 voor een pond vloeibare waterstof.
Het grootste probleem dat een waterstofeconomie in de weg staat, zijn de kosten.
Die twee waterstofatomen zijn erg vriendelijk voor dat zuurstofatoom.
Ze uit elkaar halen kost energie.
Met elektrolyse van water – de standaard commerciële manier om water te splitsen, die al tientallen jaren wordt gebruikt – komt die energie uit dure elektriciteit.
“Elektrolytisch waterstof kost tegenwoordig in de buurt van $ 15 – $ 25 per miljoen Btu, “zegt Al Mezzina van Brookhaven National Laboratory. “Benzine kost ongeveer $ 6 – $ 8 per miljoen Btu.”
Vanwege de hoge kosten vormt elektrolytische waterstof slechts ongeveer één procent van alle geproduceerde waterstof.
Het wordt gebruikt waar het bijzonder zuiver is. waterstof is nodig – bijvoorbeeld bij metaalverwerking en halfgeleiderproductieprocessen.
Maar de toekomst ziet er niet helemaal somber uit.
Sommige of alle zojuist genoemde systemen kunnen ooit een belangrijke rol bij de productie van waterstof.
Bekijk ze van dichtbij.
Vooruitgang in elektrolyse
Bij conventionele elektrolyse wordt een gelijkspanning toegepast over twee elektroden die zijn ondergedompeld in een oplossing van water en kaliumhydroxide. Als er stroom vloeit, vindt er een uitwisseling van ionen en elektronen plaats tussen de elektroden. Waterstofatomen verzamelen zich bij de negatieve elektrode (kathode) en zuurstofatomen bij de positieve elektrode (anode). Een separator tussen de elektroden scheidt de gassen.
Tegenwoordig werken onderzoekers en wetenschappers van Brookhaven aan een experimenteel systeem dat vergelijkbaar is met een conventioneel elektrolysesysteem, behalve dat het de behoefte aan door de mens veroorzaakte elektriciteit elimineert. Net als bij conventionele elektrolyse, gebruikt het systeem twee elektroden. Het verschil is dat de anode een speciale lichtgevoelige halfgeleider is gemaakt van ijzeroxide.
“Hij is bedekt met een dunne film van titaniumdioxide om corrosie te voorkomen in zijn oplossing van water en kaliumhydroxide, “zegt dr. Chiang Yang, een van de wetenschappers die bij het experiment betrokken was. Wanneer zonlicht op het systeem schijnt, ontstaat er een elektrisch potentiaal bij de anode, waardoor er stroom gaat vloeien. Er vindt een uitwisseling van elektronen en ionen plaats, net als bij een conventioneel elektrolysesysteem.
“Je kunt op deze manier bedenken wat er aan de anode gebeurt”, legt Yang uit. “Wanneer zonlicht op de halfgeleiderelektrode valt, worden sommige elektronen zeer opgewonden en veranderen ze van positie, net als individuen in een theater die opstaan om andere mensen te laten zitten. Dit laat gaten achter die gevuld moeten worden. Andere elektronen uit het water komen naar binnen. bezetten de gaten, wat resulteert in watersplitsing.Maar soms bewegen de opgewonden elektronen zich terug in de gaten die ze hebben verlaten voordat andere elektronen uit het water erin kunnen bewegen, net alsof veel van die mensen in het theater uit hun stoel opstonden, er beter over dachten en weer gingen zitten. Dit is verspilde beweging, die alleen maar warmte produceert. We noemen het recombinatie. We willen recombinatie tot een minimum beperken, wat een andere manier is om te zeggen dat we onze efficiëntie willen vergroten. “
Tot dusver bestaat het systeem alleen als een klein laboratoriummodel.
Afnemend de recombinatiesnelheid is slechts een van de vele problemen die moeten worden opgelost voordat het verder gaat dan dat stadium.
En Dr. Yang waarschuwt voor onnodig optimisme. “In het algemene schema van foto-elektrolyse is wat we hebben gedaan geen doorbraak , zegt hij. Maar het is een belangrijke stap op weg naar de ontwikkeling van praktische foto-elektrolytische cellen. Dit en andere soortgelijke systemen die zonlicht en halfgeleiderelektroden gebruiken, moeten echter volledig worden onderzocht. Als we de bugs kunnen oplossen , kunnen ze een belangrijke rol spelen bij de waterstofproductie. “
Een experimentele fotochemische benadering van elektrolyse wordt ook nagestreefd door een groep bij Caltech, geleid door Prof. Harry B. Gray. De onderzoekers gebruiken geen vaste elektroden, maar in plaats daarvan een uniek, door de mens gemaakt molecuul (een organisch complex met het metaal rhodium als kern). Wanneer het wordt opgelost in water en wordt blootgesteld aan zonlicht, splitst de chemische stof watermoleculen, waarbij waterstof vrijkomt. “Het is veel te vroeg om te zeggen of dit ooit commercieel praktisch zal zijn”, zegt dr. Virginia Houling, lid van het onderzoeksteam van Gray. “Met deze systemen bevinden we ons aan de rand van de technologie.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Een andere veelbelovende benadering van elektrolyse is het GE-vaste-elektrolytsysteem dat is ontwikkeld in Wilmington, Massachusetts. Het vaste-polymeermateriaal is 10 mils dik en is aan beide zijden gecoat met een dunne laag elektrodemateriaal. “Dit systeem is op verschillende manieren belangrijk”, zegt Jack Russell, GE-programmamanager voor vaste-polymeer-elektrolyt-elektrolyseprogrammas. “Het is efficiënter dan vergelijkbare conventionele systemen, wat in feite betekent dat je meer waterstof kunt produceren voor dezelfde hoeveelheid elektriciteit. En het gebruikt geen bijtende vloeibare elektrolyten. “
Weer een ander elektrolysesysteem bevindt zich in zeer vroege experimentele stadia aan de Universiteit van Connecticut. Prof. Robert Coughlin gebruikt een conventionele elektrolyse-inrichting en een waterige oplossing van natriumhydroxide of zuur. Maar hij voegt ook fijn poederkool toe – het soort steenkool dat elektriciteitsbedrijven gebruiken voor hun turbines. Het poederkool heeft het interessante effect dat de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om een bepaalde hoeveelheid waterstof te produceren met 50 procent wordt verminderd. De steenkool oxideert en wordt verbruikt in het proces, maar de energie die wordt opgewekt door oxidatie vermindert de hoeveelheid elektrische energie die nodig is voor elektrolyse.
Wat de eindresultaten van zijn eerste laboratoriumwerk zullen zijn, weet Coughlin niet zeker.
“Maar als je de mogelijkheid hebt om de elektriciteitskosten met 50 procent te verlagen”, zegt hij, “dan moet je het eens bekijken. En we hebben enorme voorraden kolen. “
Weinig experts twijfelen eraan dat een vorm van elektrolyse, misschien verschillende vormen in verschillende regios, uiteindelijk een belangrijke rol zal spelen bij de productie van waterstof.
Bijvoorbeeld, zegt Brookhaven s Mezzina: Naarmate het onderzoek naar fotovoltaïsche cellen zich ontwikkelt tot het punt waarop ze goedkoop genoeg en praktisch zijn, kunnen elektrolyse-apparaten in de Zonnegordel worden aangedreven door zonnecellen. In gebieden waar niet veel zon is maar met veel waterkracht, kunnen waterkrachtcentrales water-splitsende energie leveren. Op nog andere plaatsen kunnen kerncentrales de elektriciteit leveren. “
Water splitsen met warmte
Kerncentrales zou ook warmte kunnen leveren voor een andere benadering van watersplitsing – thermochemische dissociatie.
Onderzoekers weten al lang dat als water wordt verwarmd tot 3700 graden F, het spontaan uiteenvalt in zuurstof en waterstof.
Er zijn echter problemen met deze methode – niet de minste daarvan is een gebrek aan verpakkingsmateriaal dat dergelijke temperaturen gedurende een aanhoudende periode kan weerstaan.
Er is ook geen praktische manier om Dergelijke temperaturen.
Als echter bepaalde anorganische verbindingen aan het water worden toegevoegd – bijvoorbeeld zwaveldioxide en jodium – breekt het water door een reeks chemische reacties bij een veel lagere temperatuur: 1400 graden F.
Aan het einde van het proces worden de anorganische verbindingen geregenereerd en is het proces klaar om opnieuw te beginnen. Nog steeds zeer experimenteel, de andere mochemische cycli die tot dusver zijn gebruikt, hebben hun warmte ontleend aan conventionele laboratoriumovens.
“We” zijn nog jaren verwijderd van de daadwerkelijke aansluiting op een kernreactor “, zegt Dr. Giovanni Caprioglio, manager chemie bij General Atomic Corp. in San Diego, Californië.
General Atomic is een van de leiders in thermochemisch onderzoek.
Een probleem is dat de enige soort reactor die warmte kan leveren bij de benodigde temperatuur van 1400 graden de gasgekoelde kernreactor “. En er werken er maar twee in de wereld”, zegt Caprioglio. “De ene is in Colorado en de andere in Duitsland.”
Warmte van een zonnecollector kan ook werken. Georgia Tech heeft een zonnecollector gebouwd die de benodigde warmte kan leveren. “Maar de efficiëntie is misschien niet zo groot als bij een kernreactor”, zegt Caprioglio.
“Op dit moment kan niemand met absolute zekerheid zeggen dat, zelfs als de technische problemen (zoals als hittebestendige materialen) worden opgelost, kunnen we de kosten en efficiëntie op een redelijk niveau brengen ”, zegt Caroline Mason van Los Alamos National Scientific Laboratories, waar ook onderzoek wordt gedaan naar thermochemische cycli. “Maar we moeten ernaar streven om erachter te komen.”
Caprioglio is het daarmee eens. “Als alles volgens plan verloopt”, zegt hij, “zullen er een aantal substantiële demonstratieprocessen voor chemische technologie plaatsvinden, en zullen we” beginnen met het verzamelen van gegevens en serieuze cijfers over efficiëntie en kostenanalyse. “
Biologische watersplitsing
Er zijn wezens op aarde die water splitsen zonder elektriciteit, warmte, geavanceerde technologie of moeite. Ze zijn van natuurlijk, de groene planten. Met behulp van de groenachtige verbinding, chlorofyl, vangen ze de energie van zonlicht op om water en kooldioxide om te zetten in de zuurstof die we inademen en in energierijke verbindingen die koolstof, waterstof en zuurstof bevatten – de koolhydraten.
Het proces, fotosynthese, is de basis voor het meeste leven op aarde.
Deze waarneming heeft sommige onderzoekers gestimuleerd om te volgen wat waarschijnlijk de meest exotische – en verre – is van alle experimentele paden naar watersplitsing: het eigen fotosynthetisch proces van de plant aanpassen zodat waterstof vrijkomt in plaats van vast te zitten in koolhydraten .
Bij Oak Ridge National Laboratory onderzoeken onderzoekers het gebruik van zowel spinazie-chloroplasten (de schijfachtige structuren waar fotosynthese plaatsvindt in groene planten) als zoetwateralgen om waterstof te genereren. Dr. Elias Greenbaum van Oak Ridge Lab zei: “Er is een kans dat fotobiologische waterstofproductie zijn plaats kan innemen tussen de nieuwe energiebronnen die zijn en zullen worden ontwikkeld wanneer fossiele brandstoffen te duur of niet beschikbaar worden.” / p>
Niemand kan echt voorspellen wat de uitkomst van al dit onderzoek zal zijn.
Veel wetenschappers en onderzoekers op het gebied van waterstofproductie hebben twee themas sterk uitgesproken:
1) We moeten alle mogelijke gebieden van waterstofproductie onderzoeken, zelfs als vele te duur, inefficiënt of onpraktisch blijken te zijn. Dat is de enige manier waarop echte vooruitgang kan worden geboekt.
2) Waterstof zal de brandstof van de toekomst zijn.
De enige vragen zijn wanneer en hoe het zal worden geproduceerd.
Zoals te verwachten was, veroorzaakten deze laatste twee vragen veel onenigheid onder de experts, maar minder dan verwacht kon worden.
De meesten waren het er over het algemeen over eens dat het nog 20 jaar zal duren voordat we zien dat waterstof een significante bijdrage levert naar het energiebeeld. Calvin zegt: “Binnen 25 jaar zal 10 procent van de VS op de zogenaamde waterstofeconomie zitten.”
Waterstof is de meest veelbelovende brandstof voor de toekomst. Alle experts geloven dat we “zullen leren om het economisch te produceren. De vraag die niemand kan beantwoorden is echter hoe snel.
Er is nog veel meer onderzoek nodig.