Cel mai bun răspuns
Există trei combustibili diferiți folosiți în diferitele rachete SpaceX.
- Originalul Falcon-1 , Falcon-9 și Falcon-Heavy toate folosesc motoarele „ Merlin ”.
- Merlin folosește RP-1 refrigerat (care este pentru „Rocket Propellant 1” și este practic kerosen) cu oxigen lichid (LOX) ca oxidant.
- Diferitele capsule Dragon Motoarele „ Draco ” și „ SuperDraco ”.
- Dracos folosiți un combustibil „hipergolic”, ceea ce înseamnă că amestecați două substanțe chimice și acestea ard spontan – fără a avea nevoie de niciun fel de sursă de aprindere. Ambele rachete folosesc monomethyl hidrazine și tetroxid de azot . Când declanșează, evacuarea este o portocaliu strălucitor foarte caracteristic.
- StarShip și SuperHeavy folosiți motoarele „Raptor” .
- Raptor folosește metan lichid (LCH4) ca combustibil cu oxigen lichid ( LOX) ca oxidant (uneori se numește „Methalox”).
DE CE COMUTĂ LA METANĂ?
Comutarea de la RP-1 la metan are loc deoarece SpaceX vrea să zboare StarShip pe Marte – și dacă fac asta, nu va fi suficient spațiu la bord pentru a stoca suficient combustibil pentru a ajunge din nou acasă.
Lucrul frumos la metan este că poate fi fabricat din CO2 și hidrogen – plus o sursă bună de energie electrică. Atmosfera de pe Marte este aproape tot CO2, iar hidrogenul poate fi obținut prin electroliza apei – care este destul de abundentă ca gheața de sub suprafața lui Marte. Cu energie solară generatoare de energie electrică – pot produce metan și oxigen chiar acolo pe Marte.
Planul este să trimită o navă cu drone cu o fabrică de combustibil pentru rachete methalox la bord. Dacă o trimit cu câțiva ani înaintea primilor oameni – ar trebui să poată produce suficient combustibil pentru ca prima misiune echipată să se alimenteze și să se întoarcă acasă.
Răspunde
vă economisesc multă jenă, voi vorbi de hidrogen.
Hidrogenul este combustibil.
Apa conține hidrogen, dar legată de oxigen.
Dacă hidrogenul poate fi eliberat din apă (printr-un proces cunoscut sub numele de disociere ), îl puteți folosi ca combustibil. De fapt, trebuie să faci apa conductivă făcându-l un electrolit; un proces destul de simplu și ieftin.
Nici măcar nu aveți nevoie de oxigenul din apă; suficient oxigen este disponibil liber în atmosferă.
În centrul promisiunii hidrogenului se află două calități cheie.
În primul rând, aprovizionarea cu acesta este practic nelimitată. Deoarece este un element primar constituent al apei, o metodă economică de extragere a acesteia este singurul lucru necesar pentru a produce oceane literal de energie.
În al doilea rând, arderea hidrogenului nu dăunează mediului înconjurător. Pur și simplu readuce gazul sub formă de apă .
Hidrogenul este, de asemenea, un mediu unic flexibil pentru stocarea și distribuția energiei. Se transformă cu ușurință în energie electrică prin utilizarea unei celule de combustibil, iar electricitatea poate fi transformată în hidrogen prin electrolizarea apei.
Transmis prin conducte similare cu cele utilizate pentru gazele naturale, poate transporta energie de la centrale electrice mari, la distanță, la case individuale și fabrici, așa cum o face acum electricitatea – dar cu o eficiență mult mai mare.
spre deosebire de electricitate, hidrogenul poate fi păstrat în rezervoare pentru a alimenta vehiculele sau pentru a stoca energie pentru perioade de p cerere eak.
În cuvintele lui Peter Hoffman, editor și editor al Scrisoarea cu hidrogen : „Hidrogenul este combustibilul la sfârșitul anului linia când toate celelalte au fost epuizate, considerate ineficiente sau inacceptabile din punct de vedere ecologic. „
Pentru majoritatea oamenilor, cuvântul hidrogen evocă imediat spectrul Hindenburg dirijabil, care explodează peste zona rurală din New Jersey.
▲ Modelul LZ-129 Hindenburg care arde la Lakehurst, New Jersey
Cu toate acestea, o analiză mai obiectivă arată că hidrogenul nu este mai periculos decât alte materiale inflamabile folosite ca combustibili și chiar are unele avantaje semnificative de siguranță.
În mod ironic, un caz în acest caz este incidentul Hindenburg în sine.
Deși a explodat sute de picioare de la sol, 62 dintre cei 97 de pasageri ai navei aeriene au supraviețuit, în parte din cauza faptului că lightwei gazul ridicat s-a ridicat din ambarcațiune pe măsură ce ardea și a fost consumat într-o explozie relativ scurtă.
Combustibilul cu jet de kerosen s-ar fi agățat de epavă și ar fi supărat mult timp, probabil ucigând pe toți cei din vecinătate.
Totuși, Hindenburg rămâne un adevărat obstacol în calea acceptării hidrogenului în rândul publicului larg.
De la din punct de vedere practic, însă, problemele reale au legătură cu ingineria și economia.
Într-o nouă dezvoltare importantă în electroliza apei, o foaie subțire de plastic este de fapt electrolitul, un solid material polimeric, care este un conductor ionic mult mai bun decât electrolitul lichid de hidroxid de potasiu utilizat cu apă în electroliza convențională.
Rezultatul? Mai mult hidrogen pentru aceeași cantitate de energie electrică utilizată.
Este doar unul dintre diferitele progrese realizate în domeniul producției de hidrogen.
Altele includ:
• Un sistem de electroliză care împarte apa atunci când soarele strălucește pe electrozii săi. .
• Un element proces de ctroliză care folosește cărbune praf și apă, necesitând doar jumătate din cantitatea de electricitate necesară în electroliza convențională. • Organisme biologice și materiale care împart apa atunci când sunt expuse la lumina soarelui.
• Cicluri termochimice care induc scindarea apei prin căldură intensă.
De ce toate cercetările intensive în producția de hidrogen?
Două motive.
Unul, hidrogenul este utilizat pe scară largă industrial ca materie primă chimică pentru multe procese de fabricație. Astăzi, cea mai mare parte a hidrogenului provine din gaze naturale și din petrol, care sunt în cantitate relativ redusă.
Două, atunci când această cantitate scurtă devine lipsă, vom avea nevoie de alte surse de hidrogen și alte surse de combustibil.
Din fericire, siguranța naturii conține o sursă de hidrogen practic inepuizabilă. Trebuie doar să găsim combinația pentru a o debloca.
Șaptezeci și cinci la sută din suprafața pământului este acoperită cu apă.
Fiecare moleculă de apă are doi atomi de hidrogen și unul de oxigen.
Dacă putem învăța să extragem economic hidrogenul prins în acea apă, grijile noastre legate de combustibil vor fi sfârșite.
Hidrogenul este un combustibil mai bun decât benzina.
Fără poluare, se transformă din nou în apă când este ars.
Pachetează mai multă energie pe kilogram decât orice combustibil – de exemplu, 19.000 Btu de energie termică potențială pentru o kilogramă de benzină, 61.000 pentru o kilogramă de hidrogen lichid.
Cea mai mare problemă care stă în calea economiei hidrogenului este costul.
Acești doi atomi de hidrogen sunt foarte prietenoși cu acel atom de oxigen.
Împărțirea lor necesită energie.
Odată cu electroliza apei – modalitatea comercială standard de divizare a apei, utilizată de zeci de ani – acea energie provine din electricitate scumpă.
„Electrolitic hidrogenul costă astăzi în apropiere de $ 15 – 25 de dolari pe milion de BTU „, spune Al Mezzina la Laboratorul Național Brookhaven. „Benzina este de aproximativ 6 USD – 8 USD pe milion de Btu.”
Datorită cheltuielilor sale, hidrogenul electrolitic reprezintă doar aproximativ 1\% din tot hidrogenul produs.
Este utilizat acolo unde este pur pur hidrogenul este necesar – în procesele de prelucrare a metalelor și în procesele de fabricație a semiconductoarelor, de exemplu.
Dar viitorul nu este pe deplin sumbru.
Unele sau toate sistemele menționate tocmai ar putea într-o zi rol important în producția de hidrogen.
Aruncați o privire mai atentă asupra lor.
Progrese în electroliză
Electroliza convențională aplică o tensiune continuă pe doi electrozi scufundați într-o soluție de apă și hidroxid de potasiu. Când curge curent, are loc un schimb de ioni și electroni între electrozi. Atomii de hidrogen se colectează la electrodul negativ (catod) și atomii de oxigen la electrodul pozitiv (anod). Un separator între electrozi separă gazele.
Astăzi, cercetătorii și oamenii de știință de la Brookhaven lucrează la un sistem experimental care este similar cu un sistem convențional de electroliză, cu excepția faptului că elimină necesitatea de electricitate artificială. Ca și în cazul electrolizei convenționale, sistemul folosește doi electrozi. Diferența este că anodul este un semiconductor special sensibil la lumină din oxid de fier.
„Este acoperit cu o peliculă subțire de dioxid de titan pentru a preveni corodarea în soluția sa de apă și hidroxid de potasiu, ”, spune dr. Chiang Yang, unul dintre oamenii de știință implicați în experiment. Când lumina soarelui strălucește pe sistem, se creează un potențial electric la anod, provocând curentul să curgă. Un schimb de electroni și ioni are loc, la fel ca într-un sistem convențional de electroliză.
„Vă puteți gândi la ce se întâmplă la anod în acest fel”, explică Yang. „Când lumina soarelui lovește electrodul semiconductor, unii electroni devin extrem de entuziasmați și își schimbă poziția, cam ca niște indivizi dintr-un teatru care se ridică pentru a permite altor persoane să aibă locurile lor. ocupă găurile, ceea ce duce la scindarea apei.Dar, uneori, electronii excitați se mișcă înapoi în găurile pe care le-au eliberat înainte ca alți electroni din apă să poată intra, de parcă mulți dintre acei oameni din teatru s-ar fi ridicat din scaune, s-ar fi gândit mai bine și s-au așezat din nou. Aceasta este mișcare irosită, care nu produce altceva decât căldură. O numim recombinare. Vrem să reducem recombinarea la minimum, ceea ce este un alt mod de a spune că vrem să ne sporim eficiența. „
Până în prezent, sistemul există doar ca un mic model de laborator.
Scăderea rata de recombinare este doar una dintre numeroasele probleme care trebuie rezolvate înainte ca aceasta să progreseze dincolo de acel stadiu.
Și Dr. Yang avertizează împotriva optimismului nejustificat. „În schema generală a fotoelectrolizei, ceea ce am făcut este nu este o descoperire „, spune el.” Dar este un pas important de-a lungul drumului spre dezvoltarea de celule fotoelectrolitice practice. Cu toate acestea, acest sistem și alte sisteme similare care utilizează lumina soarelui și electrozi semiconductori trebuie explorate pe deplin. Dacă putem rezolva erorile , pot juca un rol semnificativ în producția de hidrogen. „
O abordare experimentală fotochimică a electrolizei este, de asemenea, urmărită de un grup la Caltech, condus de prof. Harry B. Gray. Experimentatorii nu folosesc electrozi solizi, ci în schimb o moleculă unică, creată de om (un complex organic cu rodiul metalic în nucleul său). Când este dizolvat în apă și expus la lumina soarelui, substanța chimică împarte moleculele de apă, eliberând hidrogen. „Este mult prea devreme pentru a afla dacă acest lucru va fi vreodată practic din punct de vedere comercial”, spune dr. Virginia Houling, membru al echipei de cercetare a lui Gray. „Suntem la limita tehnologiei cu aceste sisteme.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
O altă abordare promițătoare a electrolizei este sistemul GE-electrolit solid dezvoltat în Wilmington, Massachusetts. Materialul solid-polimer este 10 grosime de mil și este acoperit pe ambele părți cu o peliculă subțire de material electrod. „Acest sistem este important în diferite moduri”, spune Jack Russell, manager de programe GE pentru programele de electroliză solid-polimer-electrolit. „Este mai eficient decât convenționalul comparabil sisteme, ceea ce înseamnă în esență că puteți produce mai mult hidrogen pentru aceeași cantitate de electricitate. Și nu folosește electroliți lichizi caustici. „
Încă un alt sistem de electroliză se află în stadii experimentale foarte timpurii la Universitatea din Connecticut. Prof. Robert Coughlin folosește un electrolizator convențional și o soluție de apă de hidroxid de sodiu sau acid. Dar el adaugă, de asemenea, cărbune sub formă de pulbere fină – tipul de cărbune pe care îl consumă electricitatea pentru turbine. Cărbunele praf are efectul interesant de a reduce cu 50\% cantitatea de electricitate necesară pentru a produce o cantitate dată de hidrogen. Cărbunele se oxidează și este consumat în acest proces, dar energia generată de oxidare reduce cantitatea de energie electrică necesară pentru electroliză.
Care vor fi rezultatele finale ale lucrărilor sale inițiale de laborator, Coughlin nu este sigur.
„Dar când aveți posibilitatea de a reduce costurile cu electricitatea cu 50 la sută”, spune el, „trebuie să o verificați. Și avem o cantitate mare de cărbune. „
Puțini experți se îndoiesc că o anumită formă de electroliză, poate diverse forme în diferite regiuni, va juca în cele din urmă un rol important în producția de hidrogen.
De exemplu, spune Brookhaven „s Mezzina,” Pe măsură ce cercetarea în celulele fotovoltaice se dezvoltă până la punctul în care sunt suficient de ieftine și practice, electrolizatorii din Centura Soarelui ar putea fi alimentați cu celule solare. În zonele în care nu există mult soare dar cu multă energie hidroelectrică, centralele hidroelectrice pot furniza energie care împarte apa. În alte locuri, centralele nucleare pot furniza energie electrică. „
Împărțirea apei cu căldură
Centrale nucleare ar putea furniza, de asemenea, căldură pentru o abordare diferită a împărțirii apei – disocierea termochimică.
Cercetătorii știu de multă vreme că, dacă apa este încălzită la 3.700 grade F, aceasta se sparte spontan în oxigen și hidrogen.
Există probleme cu această metodă, totuși – dintre care nu cea mai mică este lipsa materialelor pentru containere care pot rezista la astfel de temperaturi pe o perioadă susținută.
De asemenea, nu există o modalitate practică de a obține astfel de temperaturi.
Cu toate acestea, dacă anumiți compuși anorganici sunt adăugați în apă – dioxid de sulf și iod, de exemplu – apa se separă printr-o serie de reacții chimice la o temperatură mult mai scăzută: 1.400 grade F.
La sfârșitul procesului, compușii anorganici sunt regenerați, iar procesul este gata să înceapă din nou. ciclurile mochimice utilizate până acum și-au derivat căldura din cuptoarele convenționale de laborator.
„Suntem încă la ani distanță de conectarea efectivă la un reactor nuclear”, spune dr. Giovanni Caprioglio, manager chimie la General Atomic Corp. în San Diego, California.
General Atomic este unul dintre liderii în cercetarea termochimică.
O problemă este că singurul tip de reactor care poate furniza căldură la temperatura necesară la 1.400 de grade este răcirea cu gaz reactor nuclear „. Și există doar doi dintre ei care lucrează în lume”, spune Caprioglio. „Una este în Colorado, iar cealaltă este în Germania.”
S-ar putea să funcționeze și căldura de la un colector solar. Georgia Tech a construit un colector solar care este capabil să asigure căldura necesară. „Dar eficiența poate să nu fie la fel de mare precum ar fi cu un reactor nuclear”, spune Caprioglio.
„În acest moment, nimeni nu poate spune cu certitudine absolută că, chiar dacă problemele tehnice (astfel deoarece materialele rezistente la căldură) sunt rezolvate, putem aduce costurile și eficiența la un nivel rezonabil „, spune Caroline Mason de la Los Alamos National Laboratories Scientific, unde se fac cercetări și pe cicluri termochimice. „Dar trebuie să o urmărim pentru a afla.”
Caprioglio este de acord. „Dacă totul merge așa cum este planificat”, spune el, „vor exista unele procese substanțiale de demonstrare a ingineriei chimice și vom începe să colectăm date și să prezentăm câteva cifre serioase de eficiență și de analiză a costurilor.”
Împărțirea biologică a apei
Există creaturi pe Pământ care împart apa fără electricitate, căldură, tehnologie înaltă sau efort. Desigur, plantele verzi. Folosind compusul verzui, clorofila, ele captează energia luminii solare pentru a transforma apa și dioxidul de carbon în oxigenul pe care îl respirăm și compuși cu conținut ridicat de energie care conțin carbon, hidrogen și oxigen – carbohidrații.
Procesul, fotosinteza, stă la baza majorității vieții pe Pământ.
Această observație i-a stimulat pe unii cercetători să urmeze ceea ce este probabil cel mai exotic – și mai îndepărtat – dintre toate căile experimentale către împărțirea apei: modificarea procesului fotosintetic propriu al plantelor astfel încât hidrogenul să fie eliberat, mai degrabă decât prins în carbohidrați rate.
La Laboratorul Național Oak Ridge, experimentatorii investighează utilizarea atât a cloroplastelor de spanac (structurile asemănătoare discului în care are loc fotosinteza la plantele verzi), cât și a algelor de apă dulce pentru a genera hidrogen. Dr. Elias Greenbaum, de la Oak Ridge Lab, a spus: „Există șansa ca producția de hidrogen fotobiologic să-și poată lua locul printre noile surse de energie care au fost și vor fi dezvoltate atunci când combustibilii fosili devin prea scumpi sau indisponibili.”
Nimeni nu poate prezice cu adevărat care va fi rezultatul tuturor acestor cercetări.
Mulți oameni de știință și cercetători din domeniul producției de hidrogen au exprimat puternic două teme:
1) Trebuie să explorăm toate domeniile posibile de producție a hidrogenului, chiar dacă multe se dovedesc a fi prea costisitoare, ineficiente sau impracticabile. Acesta este singurul mod în care se pot realiza progrese reale.
2) Hidrogenul va fi combustibilul viitorului.
Singurele întrebări sunt când și cum va fi produs.
După cum ne-am putea aștepta, aceste două ultime întrebări au ridicat un dezacord considerabil în rândul experților, dar mai puțin decât s-ar putea aștepta.
În general, au fost de acord că vor mai trece 20 de ani înainte ca hidrogenul să aducă o contribuție semnificativă la imaginea energetică. Calvin spune: „În termen de 25 de ani, 10 la sută din SUA vor intra în așa-numita economie a hidrogenului.”
Hidrogenul este cel mai promițător combustibil pentru viitor. Toți experții consideră că vom învăța să o producem economic. Totuși, întrebarea nimănui nu poate răspunde este cât de curând.
Sunt necesare mai multe cercetări.