Bästa svaret
Det finns tre olika bränslen som används i de olika SpaceX-raketerna.
- Originalet Falcon-1 , Falcon-9 och Falcon-Heavy använder alla motorerna “ Merlin .
- Merlin använder kyld RP-1 (som står för “Rocket Propellant 1” och är i grunden fotogen) med flytande syre (LOX) som oxidationsmedel.
- De olika Dragon-kapslar använder “ Draco ” och “ SuperDraco ” -motorer.
- Dracos använd ett ”hypergoliskt” bränsle vilket innebär att du blandar två kemikalier och de förbränner sig spontant – utan att behöva någon form av antändningskälla. Båda raketerna använder monometylhydrazin och kvävetetroxid . När de avfyrar är avgaserna en väldigt karakteristisk ljus orange.
- StarShip och SuperHeavy använd ”Raptor” -motorer.
- Raptor använder flytande metan (LCH4) som bränsle med flytande syre ( LOX) som oxidationsmedel (detta kallas ibland “Metalox”).
VARFÖR BYTTA TILL METAN?
Växlingen från RP-1 till metan sker eftersom SpaceX vill flyga StarShip till Mars – och om de gör det kommer det inte finnas tillräckligt med utrymme ombord för att lagra tillräckligt med bränsle för att komma hem igen.
Det fina med metan är att det kan tillverkas av CO2 och väte – plus en bra elförsörjning. Atmosfären på Mars är nästan all koldioxid, och väte kan erhållas genom elektrolys av vatten – vilket är ganska rikligt som is under Mars yta. Med solenergi som genererar elektricitet – de kan göra metan OCH syre precis där på Mars.
Planen är att skicka ut ett dronefartyg med en metaloxraketfabrik ombord. Om de skickar ut det ett par år före de första människorna – borde det kunna göra tillräckligt med bränsle för det första bemannade uppdraget att tanka och återvända hem.
Svar
Till sparar dig mycket förlägenhet, jag pratar om väte.
Väte är bränsle.
Vatten innehåller väte, men bundet med syre.
Om väte kan frigöras från vatten (genom en process som kallas dissociation ), kan du använda det som bränsle. Egentligen måste du göra vattnet ledande genom att göra det till en elektrolyt; en ganska enkel och billig process.
Du behöver inte ens syre från vatten; tillräckligt med syre är fritt tillgängligt i atmosfären.
Kärnan i vätens löfte ligger två viktiga kvaliteter.
För det första är leveranser av det praktiskt taget obegränsat. Eftersom det är en primär beståndsdel av vatten, en ekonomisk metod för att extrahera det är det enda som behövs för att producera bokstavliga hav av energi.
För det andra skadar inte väteförbränning miljön. Det återför bara gasen till formen av vatten .
Väte är också ett unikt flexibelt medium för lagring och distribution av energi. Det omvandlas lätt till elektricitet genom användning av en bränslecell, och elektricitet kan omvandlas till vätgas genom att elektrolysera vatten.
Den överförs genom rörledningar som liknar de som används för naturgas och kan transportera energi från stora fjärrkraftverk till enskilda hem och fabriker som el nu gör – men med mycket högre effektivitet.
Och till skillnad från elektricitet kan väte förvaras i tankar för att driva fordon eller för att lagra kraft under perioder av s eak efterfrågan.
Med ord från Peter Hoffman, redaktör och utgivare av Hydrogen Letter : ”Vätgas är bränslet i slutet av linjen när allt annat har tömts, hittats omöjligt eller miljöförstörande. ”
För de flesta människor framkallar ordet väte omedelbart spöket av Hindenburg riktbar, exploderar över New Jersey-landsbygden.
▲ Modellen LZ-129 Hindenburg som brinner vid Lakehurst, New Jersey
Ändå visar en mer objektiv analys att väte inte är farligare än andra brandfarliga material som används som bränsle, och till och med har en del betydande säkerhetsfördelar.
Ironiskt nog är ett fall i fallet själva incidenten Hindenburg .
Även om den exploderade hundratals av fötter från marken överlevde 62 av flygfartygets 97 passagerare, delvis på grund av ljusvägen Ght-gasen steg undan båten när den brann och konsumerades i en relativt kort explosion.
Fotogenbränsle skulle ha klamrat sig fast vid vraket och bränt rasande länge och troligen dödat alla i närheten.
Ändå är Hindenburg förblir ett verkligt hinder för vätgas acceptans bland allmänheten.
Från en praktisk synvinkel har dock de verkliga problemen med teknik och ekonomi att göra.
I en viktig ny utveckling inom elektrolys av vatten är ett tunt plastliknande ark faktiskt elektrolyten, en fast polymermaterial som är en mycket bättre jonledare än den flytande kaliumhydroxidelektrolyten som används med vatten i konventionell elektrolys.
Resultatet? Mer väte för samma mängd elektrisk energi som används.
Det är bara en av många framsteg som görs inom området väteproduktion.
Andra inkluderar:
• Ett elektrolyssystem som delar vatten när solen skiner på sina elektroder .
• En ele ctrolysprocess som använder pulveriserat kol och vatten, vilket endast kräver halva mängden el som behövs vid konventionell elektrolys. • Biologiska organismer och material som delar vatten när de utsätts för solljus.
• Termokemiska cykler som inducerar vattensplittring genom intensiv värme.
Varför all den intensiva forskningen om väteproduktion?
Två skäl.
En, väte används i stor utsträckning industriellt som ett kemiskt råmaterial för många tillverkningsprocesser. Det mesta vätet idag kommer från naturgas och petroleum, som är relativt bristfälliga.
Två, när den bristande tillförseln inte blir någon tillförsel, behöver vi andra vätskekällor och andra bränslekällor.
Lyckligtvis innehåller natursäkerheten en praktiskt taget outtömlig tillförsel av väte. Vi måste bara hitta kombinationen för att låsa upp den.
75 procent av jordens yta är täckt med vatten.
Varje molekyl vatten har två atomer vätgas och en av syre.
Om vi kan lära oss att ekonomiskt utvinna väte som fångats i det vattnet, kommer våra bränsleproblem att vara över.
Väte är ett bättre bränsle än bensin.
Föroreningsfritt, det förvandlas till vatten när det bränns.
Det packar mer energi per pund än något bränsle – till exempel 19 000 Btu potentiell värmeenergi för ett pund bensin, 61 000 för ett pund flytande väte.
Det största enskilda problemet som står i vägen för en vätekonomi är kostnaden.
Dessa två väteatomer är mycket vänliga med den syreatomen.
Att splittra dem tar energi.
Med elektrolys av vatten – det vanliga kommersiella sättet att dela vatten, som används i årtionden – kommer den energin från dyr el.
”Elektrolytisk väte kostar idag i närheten av $ 15— $ 25 per miljon Btu, säger Al Mezzina vid Brookhaven National Laboratory. ”Bensin är ungefär $ 6 – $ 8 per miljon Btu.”
På grund av sin kostnad utgör elektrolytiskt väte bara cirka en procent av allt producerat väte.
Det används där det är särskilt rent väte behövs – till exempel i metallbearbetning och halvledartillverkningsprocesser.
Men framtiden är inte helt dyster.
Vissa eller alla de system som just nämnts kan en dag spela en viktig roll i väteproduktion.
Ta en närmare titt på dem.
Framsteg inom elektrolys
Konventionell elektrolys applicerar en likspänning över två elektroder nedsänkta i en lösning av vatten och kaliumhydroxid. När ström flyter sker ett utbyte av joner och elektroner mellan elektroderna. Väteatomer samlas vid den negativa elektroden (katoden) och syreatomerna vid den positiva elektroden (anoden). En separator mellan elektroderna separerar gaserna.
Idag arbetar forskare och forskare vid Brookhaven på ett experimentellt system som liknar ett konventionellt elektrolyssystem, förutom att det eliminerar behovet av konstgjord elektricitet. Som med konventionell elektrolys använder systemet två elektroder. Skillnaden är att anoden är en speciell ljuskänslig halvledare gjord av järnoxid.
”Den är belagd med en tunn film av titandioxid för att förhindra att den korroderar i sin lösning av vatten och kaliumhydroxid, ”säger Dr. Chiang Yang, en av forskarna som är inblandade i experimentet. När solljus skiner på systemet skapas en elektrisk potential vid anoden, vilket får ström att strömma. Ett elektron- och jonbyte sker, precis som i ett konventionellt elektrolyssystem.
”Du kan tänka på vad som händer vid anoden på detta sätt,” förklarar Yang. ”När solljus träffar halvledarelektroden blir vissa elektroner mycket upphetsade och ändrar sin position, ungefär som individer vid en teater som reser sig för att låta andra människor få sitt säte. Detta lämnar hål att fyllas. Andra elektroner från vattnet rör sig in till upptar hålen, vilket resulterar i vattenklyvning.Men ibland rör sig de upphetsade elektronerna tillbaka i hålen som de utrymde innan andra elektroner från vattnet kan röra sig in, ungefär som om många av dem i teatern stod upp ur sina platser, tänkte bättre på det och satte sig ner igen. Detta är bortkastad rörelse som inte producerar annat än värme. Vi kallar det rekombination. Vi vill minska rekombinationen till ett minimum, vilket är ett annat sätt att säga att vi vill öka vår effektivitet. ”
Hittills finns systemet endast som en liten laboratoriemodell.
Minskande rekombinationshastigheten är bara ett av de många problemen som måste lösas innan det går vidare än det steget.
Och Dr. Yang varnar för onödig optimism. ”I det övergripande schemat för fotoelektrolys är det vi har gjort att inte ett genombrott, ”säger han.” Men det är ett viktigt steg på vägen mot att utveckla praktiska fotoelektrolytiska celler. Men detta och andra liknande system som använder solljus och halvledarelektroder måste undersökas helt. Om vi kan räkna ut buggarna kan de spela en viktig roll i vätgasproduktionen. ”
En experimentell fotokemisk metod för elektrolys bedrivs också av en grupp vid Caltech, ledd av professor Harry B. Gray. Experimenterna använder inte fasta elektroder utan istället en unik, konstgjord molekyl (ett organiskt komplex med metall rodium i sin kärna). Vid upplösning i vatten och exponering för solljus delar kemikalien vattenmolekyler och frigör väte. ”Det är alldeles för tidigt att säga om detta någonsin kommer att vara kommersiellt praktiskt”, säger Dr. Virginia Houling, en medlem av Greys forskargrupp. ”Vi befinner oss i yttersta kanten av tekniken med dessa system.”
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Ett annat lovande tillvägagångssätt för elektrolys är GE fastelektrolytsystem utvecklat i Wilmington, Mass. Det fasta polymermaterialet är 10 mils tjock och är belagd på båda sidor med en tunn film av elektrodmaterial. ”Detta system är viktigt på olika sätt”, säger Jack Russell, GE-programansvarig för elektrolytprogram med fast polymer-elektrolyt. ”Det är effektivare än jämförbara konventionella system, vilket i huvudsak innebär att du kan producera mer väte för samma mängd el. Och den använder inga kaustiska flytande elektrolyter. ”
Ytterligare ett elektrolyssystem är i mycket tidiga experimentella stadier vid University of Connecticut. Prof. Robert Coughlin använder en konventionell elektrolysator och en vattenlösning av natriumhydroxid eller syra. Men han lägger också till fint pulveriserat kol – den typ av elektriska kol som förbränns för deras turbiner. Det pulveriserade kolet har den intressanta effekten att minska den mängd el som behövs för att producera en viss mängd väte med 50 procent. Kolet oxiderar och konsumeras. i processen, men den energi som genereras av oxidation minskar mängden elektrisk energi som behövs för elektrolys.
Vad slutresultaten av hans första laboratoriearbete kommer att bli är Coughlin inte säker.
”Men när du har möjlighet att sänka elkostnaderna med 50 procent”, säger han, ”måste du kolla in det. Och vi har stora kolförsörjningar. ”
Få experter tvivlar på att någon form av elektrolys, kanske olika former i olika regioner, så småningom kommer att spela en viktig roll i väteproduktionen.
Till exempel, säger Brookhavens Mezzina, ”Eftersom forskning på solceller utvecklas till den punkt där de är tillräckligt billiga och praktiska, kan elektrolysatorer i solbältet drivas av solceller. I områden där det inte finns mycket sol men mycket vattenkraft kan vattenkraftverk leverera vattenuppdelande energi. På andra ställen kan kärnkraftverk leverera elen. ”
Att dela vatten med värme
Kärnkraftverk kan också leverera värme för ett annat tillvägagångssätt för vattensplittring – termokemisk dissociation.
Forskare har länge vetat att om vatten värms upp till 3700 grader F bryts det spontant upp i syre och väte.
Det finns dock problem med den här metoden – inte minst saknas behållarmaterial som tål sådana temperaturer under en långvarig period.
Det finns inget praktiskt sätt att få sådana temperaturer.
Om vissa oorganiska föreningar tillsätts till vattnet – till exempel svaveldioxid och jod – bryts vattnet upp genom en serie kemiska reaktioner vid en mycket lägre temperatur: 1400 grader F.
I slutet av processen regenereras de oorganiska föreningarna och processen är redo att börja om. Fortfarande mycket experimentell, desto hittills har använt mochemiska cykler har härledt sin värme från konventionella laboratorieugnar.
”Vi är fortfarande många år borta från faktisk koppling till en kärnreaktor”, säger Dr. Giovanni Caprioglio, chef för kemi vid General Atomic Corp. i San Diego, Kalifornien.
General Atomic är en av ledarna inom termokemisk forskning.
Ett problem är att den enda typ av reaktor som kan ge värme vid den 1400-graders temperatur som behövs är den gaskylda kärnreaktor ”. Och det är bara två av dem som arbetar i världen”, säger Caprioglio. ”Den ena är i Colorado och den andra i Tyskland.”
Värme från en solfångare kan också fungera. Georgia Tech har byggt en solfångare som kan ge den värme som behövs. ”Men effektiviteten kanske inte är så stor som med en kärnreaktor”, säger Caprioglio.
”Vid denna tidpunkt kan ingen med absolut säkerhet säga att, även om de tekniska problemen (t.ex. eftersom värmebeständiga material) löses kan vi höja kostnaden och effektiviteten till en rimlig nivå, säger Caroline Mason från Los Alamos National Scientific Laboratories, där man också forskar om termokemiska cykler. ”Men vi måste följa det för att få reda på det.”
Caprioglio instämmer. ”Om allt går som planerat”, säger han, ”kommer det att finnas några omfattande demonstrationsprocesser för kemiteknik, och vi kommer att börja samla in data och lägga ner några allvarliga siffror för effektivitet och kostnadsanalys.”
Biologisk vattenuppdelning
Det finns varelser på jorden som delar vatten utan elektricitet, värme, högteknologi eller ansträngning. De är, av naturligtvis, de gröna växterna. Med hjälp av den grönaktiga föreningen, klorofyll, fångar de upp solenergins energi för att förvandla vatten och koldioxid till det syre vi andas in och energirika föreningar som innehåller kol, väte och syre – kolhydraterna.
Processen, fotosyntes, är grunden för det mesta livet på jorden.
Denna observation har stimulerat vissa forskare att följa det som förmodligen är det mest exotiska – och långt borta – av alla experimentella vägar till klyvning av vatten: modifiera växternas egen fotosyntetiska process så att väte frigörs snarare än fångas i karbohyd priser.
På Oak Ridge National Laboratory undersöker experter användningen av både spenatkloroplaster (de skivliknande strukturer där fotosyntes förekommer i gröna växter) och sötvattenalger för att generera väte. Oak Ridge Labs Dr. Elias Greenbaum sa: ”Det finns en chans att fotobiologisk väteproduktion kanske kan ta plats bland de nya energikällor som har utvecklats och kommer att utvecklas när fossila bränslen blir för dyra eller otillgängliga.”
Ingen kan verkligen förutsäga vad resultatet av all denna forskning kommer att bli.
Många forskare och forskare inom väteproduktion, uttryckte starkt två teman:
1) Vi måste utforska alla möjliga områden för väteproduktion, även om många visar sig vara för kostsamma, ineffektiva eller opraktiska. Det är det enda sättet att uppnå verkliga framsteg.
2) Vätgas kommer vara framtidens bränsle.
De enda frågorna är när och hur den kommer att produceras.
Som man kan förvänta sig väckte dessa två sista frågor betydande oenighet bland experterna, men mindre än vad som kunde förväntas. till energibilden. Calvin säger, ”Inom 25 år kommer tio procent av USA att vara i den så kallade vätgasekonomin.”
Väte är det mest lovande bränslet för framtiden. Alla experter tror att vi ”lär oss att producera det ekonomiskt. Frågan som ingen kan svara är dock hur snart.
Det behövs mycket mer forskning.