Najlepsza odpowiedź
Istnieją trzy różne paliwa używane w różnych rakietach SpaceX.
- Oryginał Falcon-1 , Falcon-9 i Falcon-Heavy wszystkie używają silników „ Merlin ”.
- Merlin używa schłodzonego RP-1 (co oznacza dla „Rocket Propellant 1” i jest to w zasadzie nafta) z ciekłym tlenem (LOX) jako utleniaczem.
- Różne smocze kapsułki używają Silniki „ Draco ” i „ SuperDraco ”.
- Dracos używaj paliwa „hipergolicznego”, co oznacza, że miesza się dwie substancje chemiczne, które ulegają samozapłonowi – bez konieczności stosowania jakiegokolwiek źródła zapłonu. Obie rakiety wykorzystują monometylohydrazynę i czterotlenek azotu . Kiedy odpalają, spaliny mają bardzo charakterystyczny jasnopomarańczowy kolor.
- StarShip i SuperHeavy używają silników „Raptor” .
- Raptor wykorzystuje ciekły metan (LCH4) jako paliwo z ciekłym tlenem ( LOX) jako utleniacz (czasami nazywany „Methalox”).
DLACZEGO PRZEJŚĆ NA METAN?
Przejście z RP-1 na Methane następuje, ponieważ SpaceX chce polecieć StarShip na Marsa – a jeśli to zrobią, na pokładzie nie będzie wystarczająco dużo miejsca, aby zgromadzić wystarczającą ilość paliwa, aby wrócić do domu.
Zaletą metanu jest to, że można go wytwarzać z CO2 i wodoru – plus dobre źródło energii elektrycznej. Atmosfera na Marsie składa się prawie w całości z CO2, a wodór można uzyskać poprzez elektrolizę wody – której jest dość dużo w postaci lodu pod powierzchnią Marsa. Dzięki energii słonecznej wytwarzającej energię elektryczną – mogą wytwarzać metan i tlen na Marsie.
Plan polega na wysłaniu na pokład statku dronów z fabryką paliwa rakietowego z metaloksem. Jeśli wyślą go kilka lat przed pierwszymi ludźmi – powinien być w stanie wyprodukować wystarczająco dużo paliwa, aby pierwsza załogowa misja zatankowała i powróciła do domu.
Odpowiedź
Aby oszczędzę ci wielu kłopotów, będę mówić o wodorze.
Wodór to paliwo.
Woda zawiera wodór, ale jest połączona z tlenem.
Jeśli wodór można uwolnić z wody (w procesie znanym jako dysocjacja ), można go użyć jako paliwa. Właściwie musisz sprawić, by woda przewodziła, czyniąc z niej elektrolit; dość prosty i niedrogi proces.
Nie potrzebujesz nawet tlenu z wody; wystarczająca ilość tlenu jest swobodnie dostępna w atmosferze.
U podstaw obietnicy wodoru leżą dwie kluczowe cechy.
Po pierwsze, jego zapasy są praktycznie nieograniczone. jest składnikiem wody, ekonomiczna metoda jego wydobywania jest jedyną rzeczą potrzebną do wytworzenia dosłownych oceanów energii.
Po drugie, spalanie wodoru nie szkodzi środowisku. Po prostu przywraca gaz do postaci wody .
Wodór jest również wyjątkowo elastycznym medium służącym do magazynowania i dystrybucji energii. Można go łatwo przekształcić w energię elektryczną za pomocą ogniwa paliwowego, a energię elektryczną można z powrotem przekształcić w wodór przez elektrolizę wody.
Przesyłane rurociągami podobnymi do tych używanych w przypadku gazu ziemnego, może przenosić energię z dużych, odległych elektrowni do indywidualnych domów i fabryk, tak jak robi to obecnie energia elektryczna – ale ze znacznie większą wydajnością.
I w przeciwieństwie do elektryczności wodór można przechowywać w zbiornikach, aby zasilać pojazdy lub przechowywać energię przez okresy ok popyt.
Według słów Petera Hoffmana, redaktora i wydawcy The Hydrogen Letter : „Wodór jest paliwem pod koniec linia, w której wszystko inne zostało wyczerpane, uznane za niewykonalne lub szkodliwe dla środowiska. ”
Dla większości ludzi słowo wodór natychmiast przywołuje widmo Hindenburga sterowiec eksplodujący nad krajobrazem New Jersey.
▲ Model LZ-129 Hindenburg płonący w Lakehurst w stanie New Jersey
Jednak bardziej obiektywna analiza ujawnia, że wodór nie jest bardziej niebezpieczny niż inne łatwopalne materiały używane jako paliwo, a nawet ma znaczące korzyści w zakresie bezpieczeństwa.
Jak na ironię, przykładem jest sam incydent Hindenburg .
Chociaż eksplodował setkami metrów nad ziemią przeżyło 62 z 97 pasażerów statku powietrznego, częściowo z powodu lightwei Gaz ght wydostał się z pojazdu, gdy płonął, i został spalony podczas stosunkowo krótkiej eksplozji.
Nafta do silników odrzutowych przywarłaby do wraku i paliłaby się wściekle przez długi czas, prawdopodobnie zabijając wszystkich w pobliżu.
Mimo to Hindenburg pozostaje prawdziwą przeszkodą w akceptacji wodoru przez ogół społeczeństwa.
Od Jednak z praktycznego punktu widzenia, prawdziwe problemy wiążą się z inżynierią i ekonomią.
W ważnym nowym rozwoju elektrolizy wody cienki arkusz przypominający plastik jest w rzeczywistości elektrolitem, ciałem stałym. materiał polimerowy, który jest znacznie lepszym przewodnikiem jonów niż ciekły elektrolit na bazie wodorotlenku potasu używany z wodą w konwencjonalnej elektrolizie.
Rezultat? Więcej wodoru przy tej samej ilości zużytej energii elektrycznej.
To tylko jeden z wielu postępów w dziedzinie produkcji wodoru.
Inne to:
• System elektrolizy, który rozdziela wodę, gdy słońce świeci na jego elektrodach .
• Ele proces sterowania, który wykorzystuje sproszkowany węgiel i wodę, wymagający tylko połowy ilości energii elektrycznej potrzebnej w konwencjonalnej elektrolizie. • Organizmy i materiały biologiczne, które rozszczepiają wodę pod wpływem światła słonecznego.
• Cykle termochemiczne, które powodują rozszczepianie wody w wyniku intensywnego ciepła.
Po co intensywne badania nad produkcją wodoru?
Z dwóch powodów.
Po pierwsze, wodór jest szeroko stosowany w przemyśle jako surowiec chemiczny w wielu procesach produkcyjnych. Obecnie większość wodoru pochodzi z gazu ziemnego i ropy naftowej, których jest stosunkowo mało.
Po drugie, kiedy te niedobory przestaną być dostępne, będziemy potrzebować innych źródeł wodoru i innych źródeł paliwa.
Na szczęście naturalny sejf zawiera praktycznie niewyczerpane zasoby wodoru. Musimy tylko znaleźć kombinację, aby ją odblokować.
Siedemdziesiąt pięć procent powierzchni Ziemi jest pokryte wodą.
Każda cząsteczka wody ma dwa atomy wodoru i tlen.
Jeśli nauczymy się ekonomicznie wydobywać wodór uwięziony w tej wodzie, nasze obawy o paliwo się skończą.
Wodór jest lepszym paliwem niż benzyna.
Wolny od zanieczyszczeń, po spaleniu zamienia się z powrotem w wodę.
Pakuje więcej energii na funt niż jakiekolwiek paliwo – na przykład 19 000 Btu potencjalnej energii cieplnej za funt benzyny, 61 000 za funt ciekłego wodoru.
Największym pojedynczym problemem stojącym na drodze gospodarki wodorowej jest koszt.
Te dwa atomy wodoru są bardzo przyjazne dla tego atomu tlenu.
Rozdzielanie ich wymaga energii.
W przypadku elektrolizy wody – standardowego komercyjnego sposobu rozszczepiania wody, używanego od dziesięcioleci – energia pochodzi z drogiej elektryczności.
„Elektrolityczna wodór kosztuje dziś około $ 15–25 dolarów za milion Btu ”- mówi Al Mezzina z Brookhaven National Laboratory. „Benzyna kosztuje około 6–8 USD za milion Btu”.
Wodór elektrolityczny, ze względu na swój koszt, stanowi tylko około 1\% całego wytwarzanego wodoru.
Jest stosowany tam, gdzie jest szczególnie czysty wodór jest potrzebny – na przykład w procesach obróbki metali i produkcji półprzewodników.
Ale przyszłość nie jest całkiem ponura.
Niektóre lub wszystkie wymienione systemy mogą pewnego dnia odgrywać rolę ważną rolę w produkcji wodoru.
Przyjrzyj się im bliżej.
Postępy w elektrolizie
Konwencjonalna elektroliza polega na zastosowaniu napięcia stałego na dwóch elektrodach zanurzonych w roztworze wody i wodorotlenku potasu. Gdy płynie prąd, między elektrodami następuje wymiana jonów i elektronów. Atomy wodoru gromadzą się na elektrodzie ujemnej (katodzie), a atomy tlenu na elektrodzie dodatniej (anodzie). Separator między elektrodami oddziela gazy.
Obecnie naukowcy i naukowcy z Brookhaven pracują nad systemem eksperymentalnym podobnym do konwencjonalnego systemu elektrolizy, z tą różnicą, że eliminuje potrzebę wytwarzania energii elektrycznej przez człowieka. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej elektrolizy, system wykorzystuje dwie elektrody. Różnica polega na tym, że anoda jest specjalnym światłoczułym półprzewodnikiem wykonanym z tlenku żelaza.
„Jest pokryta cienką warstwą dwutlenku tytanu, aby zapobiec korozji w roztworze wody i wodorotlenku potasu, „mówi dr Chiang Yang, jeden z naukowców zaangażowanych w eksperyment. Kiedy światło słoneczne pada na system, na anodzie powstaje potencjał elektryczny, powodując przepływ prądu. Następuje wymiana elektronów i jonów, podobnie jak w konwencjonalnym systemie elektrolizy.
„W ten sposób można pomyśleć o tym, co dzieje się na anodzie” – wyjaśnia Yang. „Kiedy światło słoneczne pada na elektrodę półprzewodnikową, niektóre elektrony stają się silnie wzbudzone i zmieniają swoje położenie, tak jak osoby w teatrze wstają, aby pozwolić innym ludziom usiąść. To pozostawia dziury do wypełnienia. Inne elektrony z wody przemieszczają się do zajmują otwory, co powoduje rozszczepianie wody.Ale czasami wzbudzone elektrony wracają do dziur, które opuściły, zanim inne elektrony z wody mogą się do nich dostać, tak jakby wielu z tych ludzi w teatrze wstało ze swoich miejsc, pomyślało o tym lepiej i ponownie usiadło. To zmarnowany ruch, który wytwarza tylko ciepło. Nazywamy to rekombinacją. Chcemy zredukować rekombinację do minimum, co jest innym sposobem na powiedzenie, że chcemy zwiększyć naszą wydajność. ”
Jak dotąd system istnieje tylko jako model małego laboratorium.
Zmniejszanie szybkość rekombinacji jest tylko jednym z wielu problemów, które muszą zostać rozwiązane, zanim wyjdzie poza ten etap.
A dr Yang ostrzega przed nadmiernym optymizmem. „W ogólnym schemacie fotoelektrolizy, to, co zrobiliśmy, to nie jest to przełom „, mówi.” Ale to ważny krok na drodze do opracowania praktycznych ogniw fotoelektrolitycznych. Jednak ten i inne podobne systemy, które wykorzystują światło słoneczne i elektrody półprzewodnikowe, muszą zostać w pełni zbadane. Jeśli uda nam się rozwiązać problemy , mogą odgrywać znaczącą rolę w produkcji wodoru. „
Eksperymentalne fotochemiczne podejście do elektrolizy jest również stosowane przez grupa w Caltech, kierowana przez prof. Harryego B. Graya. Eksperymentatorzy nie używają stałych elektrod, ale zamiast tego unikalną, stworzoną przez człowieka cząsteczkę (organiczny kompleks z metalicznym rodem w rdzeniu). Po rozpuszczeniu w wodzie i wystawieniu na działanie promieni słonecznych, substancja chemiczna rozszczepia cząsteczki wody, uwalniając wodór. „Jest o wiele za wcześnie, aby stwierdzić, czy kiedykolwiek będzie to komercyjnie praktyczne” – mówi dr Virginia Houling, członek zespołu badawczego Graya. „Dzięki tym systemom jesteśmy na samym skraju technologii”.
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Kolejnym obiecującym podejściem do elektrolizy jest system stałego elektrolitu GE opracowany w Wilmington w stanie Massachusetts. Stały polimer ma 10 mils grubości i jest pokryty z obu stron cienką warstwą materiału elektrody. „Ten system jest ważny z różnych względów” – mówi Jack Russell, kierownik programu GE ds. programów elektrolizy na bazie stałego polimeru i elektrolitu. „Jest bardziej wydajny niż porównywalne konwencjonalne co zasadniczo oznacza, że można wyprodukować więcej wodoru przy tej samej ilości energii elektrycznej. I nie wykorzystuje żrących płynnych elektrolitów. ”
Jeszcze inny system elektrolizy znajduje się na bardzo wczesnym etapie eksperymentalnym na Uniwersytecie Connecticut. Prof. Robert Coughlin używa konwencjonalnego elektrolizera i wodnego roztworu wodorotlenku sodu lub kwasu. Ale dodaje też drobno sproszkowany węgiel – rodzaj węglowych urządzeń elektrycznych spalanych w swoich turbinach. Sproszkowany węgiel ma interesujący efekt polegający na zmniejszeniu o 50 procent ilości energii elektrycznej potrzebnej do wytworzenia określonej ilości wodoru. Węgiel utlenia się i jest zużywany w tym procesie, ale energia wytworzona przez utlenianie zmniejsza ilość energii elektrycznej potrzebnej do elektrolizy.
Coughlin nie jest pewien, jakie będą końcowe wyniki jego początkowej pracy laboratoryjnej.
„Ale kiedy masz możliwość obniżenia kosztów energii elektrycznej o 50 procent”, mówi, „musisz” to sprawdzić. Mamy też ogromne zapasy węgla. ”
Niewielu ekspertów wątpi, że jakaś forma elektrolizy, być może różne formy w różnych regionach, ostatecznie odegra ważną rolę w produkcji wodoru.
Na przykład, mówi Brookhaven „s Mezzina”, w miarę jak badania nad ogniwami fotowoltaicznymi rozwijają się do tego stopnia, że są one wystarczająco tanie i praktyczne, elektrolizery w Pasie Słonecznym mogą być zasilane ogniwami słonecznymi. Na obszarach, gdzie nie ma dużo słońca ale dużo energii wodnej, elektrownie wodne mogą dostarczać energii rozszczepiającej wodę. W jeszcze innych miejscach elektrownie jądrowe mogą dostarczać energię elektryczną. „
Podział wody na ciepło
Elektrownie jądrowe może również dostarczyć ciepło dla innego podejścia do rozszczepiania wody – dysocjacji termochemicznej.
Naukowcy od dawna wiedzą, że podgrzana do 3700 stopni F woda spontanicznie rozpada się na tlen i wodór.
Jednak metoda ta wiąże się z problemami – jednym z nich jest brak materiałów na pojemniki, które byłyby w stanie wytrzymać takie temperatury przez dłuższy czas.
Ponadto nie ma praktycznego sposobu na uzyskanie takich temperaturach.
Jeśli jednak do wody zostaną dodane pewne związki nieorganiczne – na przykład dwutlenek siarki i jod – woda rozpada się w wyniku szeregu reakcji chemicznych w znacznie niższej temperaturze: 1400 stopni F.
Pod koniec procesu związki nieorganiczne są regenerowane i proces jest gotowy do ponownego rozpoczęcia. Wciąż wysoce eksperymentalna, dotychczas stosowane cykle mochemiczne czerpały ciepło z konwencjonalnych pieców laboratoryjnych.
„Jeszcze lata dzieli nas od rzeczywistego podłączenia do reaktora jądrowego” – mówi dr Giovanni Caprioglio, kierownik ds. chemii w General Atomic Corp. w San Diego w Kalifornii.
General Atomic jest jednym z liderów w badaniach termochemicznych.
Jednym z problemów jest to, że jedynym rodzajem reaktora, który może zapewnić ciepło w wymaganej temperaturze 1400 stopni, jest chłodzony gazem reaktor jądrowy. ”I tylko dwóch z nich pracuje na świecie” – mówi Caprioglio. „Jeden jest w Kolorado, a drugi w Niemczech”.
Ciepło z kolektora słonecznego może również działać. Firma Georgia Tech zbudowała kolektor słoneczny, który jest w stanie zapewnić potrzebne ciepło. „Ale wydajność może nie być tak duża, jak w przypadku reaktora jądrowego” – mówi Caprioglio.
„W tym momencie nikt nie może powiedzieć z absolutną pewnością, że nawet jeśli problemy techniczne (takie ponieważ materiały żaroodporne) są rozwiązane, możemy obniżyć koszty i wydajność do rozsądnego poziomu ”, mówi Caroline Mason z Los Alamos National Scientific Laboratories, gdzie prowadzone są również badania nad cyklami termochemicznymi. „Ale musimy dążyć do tego, aby się dowiedzieć.”
Caprioglio zgadza się. „Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem”, mówi, „odbędą się pewne istotne procesy demonstracyjne w inżynierii chemicznej, a my„ zaczniemy zbierać dane i przedstawiać poważne dane dotyczące wydajności i analizy kosztów ”. Biologiczne rozszczepianie wody
Istnieją stworzenia na Ziemi, które rozszczepiają wodę bez elektryczności, ciepła, zaawansowanej technologii i wysiłku. Oczywiście zielone rośliny. Używając zielonkawego związku, chlorofilu, wychwytują energię światła słonecznego, aby zamienić wodę i dwutlenek węgla w tlen, którym oddychamy, oraz bogate w energię związki zawierające węgiel, wodór i tlen – węglowodany.
Proces fotosyntezy jest podstawą większości życia na Ziemi.
Ta obserwacja skłoniła niektórych badaczy do podążania prawdopodobnie najbardziej egzotyczną i daleką ze wszystkich eksperymentalnych ścieżek. rozszczepianie wody: modyfikowanie własnego procesu fotosyntezy roślin tak, aby wodór był uwalniany, a nie uwięziony w węglowodanach szybkości.
W Oak Ridge National Laboratory eksperymentatorzy badają wykorzystanie zarówno chloroplastów szpinaku (struktur przypominających dyski, w których zachodzi fotosynteza roślin zielonych), jak i glonów słodkowodnych do wytwarzania wodoru. Dr Elias Greenbaum z Oak Ridge Lab powiedział: „Jest szansa, że fotobiologiczna produkcja wodoru może zająć jego miejsce wśród nowych źródeł energii, które były i będą rozwijane, gdy paliwa kopalne staną się zbyt drogie lub niedostępne.”
Nikt tak naprawdę nie jest w stanie przewidzieć, jaki będzie wynik wszystkich tych badań.
Wielu naukowców i badaczy zajmujących się produkcją wodoru wypowiadało się na dwa tematy:
1) Musimy zbadać wszystkie możliwe obszary produkcji wodoru, nawet jeśli wiele z nich okaże się zbyt kosztownych, nieefektywnych lub niepraktycznych. Tylko w ten sposób można osiągnąć prawdziwy postęp.
2) Wodór będzie być paliwem przyszłości.
Jedyne pytania dotyczą tego, kiedy i jak zostanie on wyprodukowany.
Jak można się było spodziewać, te dwa ostatnie pytania wywołały spory sprzeciw wśród ekspertów, ale mniej niż można by się spodziewać.
Ogólnie zgadza się, że minie kolejne 20 lat, zanim zobaczymy, że wodór będzie miał znaczący wkład do obrazu energii. Calvin mówi: „W ciągu 25 lat 10 procent Stanów Zjednoczonych będzie podlegać tak zwanej gospodarce wodorowej”.
Wodór jest najbardziej obiecującym paliwem na przyszłość. Wszyscy eksperci uważają, że „nauczymy się produkować go ekonomicznie. Jednak nikt nie może odpowiedzieć na pytanie, jak szybko.
Potrzeba więcej badań.