Beste Antwort
In den verschiedenen SpaceX-Raketen werden drei verschiedene Treibstoffe verwendet.
- Das Original Falcon-1 , die Falcon-9 und die Falcon-Heavy verwenden alle die Motoren „ Merlin „.
- Merlin verwendet gekühltes RP-1 (das steht) für „Raketentreibstoff 1“ und ist im Grunde Kerosin) mit flüssigem Sauerstoff (LOX) als Oxidationsmittel.
- Die verschiedenen Drachenkapseln verwenden die „ Draco “ und „ SuperDraco “ Motoren.
- Die Dracos Verwenden Sie einen „hypergolischen“ Kraftstoff, dh Sie mischen zwei Chemikalien und diese verbrennen spontan – ohne dass eine Zündquelle erforderlich ist. Beide Raketen verwenden Monomethylhydrazin und Stickstofftetroxid . Wenn sie feuern, ist der Auspuff ein sehr charakteristisches leuchtendes Orange.
- Das StarShip und SuperHeavy verwendet die „Raptor“ -Motoren.
- Raptor verwendet flüssiges Methan (LCH4) als Kraftstoff mit flüssigem Sauerstoff ( LOX) als Oxidationsmittel (dies wird manchmal als „Methalox“ bezeichnet).
WARUM AUF METHAN SCHALTEN?
Der Wechsel von RP-1 zu Methan erfolgt, weil SpaceX StarShip zum Mars fliegen möchte – und wenn dies der Fall ist, ist an Bord nicht genügend Platz vorhanden, um genügend Treibstoff für die Rückkehr nach Hause zu speichern.
Das Schöne an Methan ist, dass es aus CO2 und Wasserstoff hergestellt werden kann – plus einer guten Stromversorgung. Die Atmosphäre auf dem Mars besteht fast ausschließlich aus CO2, und Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden – das als Eis unter der Marsoberfläche ziemlich reichlich vorhanden ist. Mit Solarenergie, die Strom erzeugt, können sie Methan UND Sauerstoff genau dort auf dem Mars herstellen.
Es ist geplant, ein Drohnenschiff mit einer Methalox-Raketentreibstofffabrik an Bord zu schicken. Wenn sie es ein paar Jahre vor den ersten Menschen verschicken, sollte es in der Lage sein, genug Treibstoff für die erste bemannte Mission zu produzieren, um zu tanken und nach Hause zurückzukehren.
Antwort
An Sparen Sie sich viel Verlegenheit, ich werde von Wasserstoff sprechen.
Wasserstoff ist Kraftstoff.
Wasser enthält Wasserstoff, ist aber mit Sauerstoff verbunden.
Wenn der Wasserstoff kann aus Wasser freigesetzt werden (durch einen Prozess, der als Dissoziation bekannt ist). Sie können ihn als Kraftstoff verwenden. Tatsächlich müssen Sie Wasser leitfähig machen, indem Sie es zu einem Elektrolyten machen. ein recht einfacher und kostengünstiger Prozess.
Sie benötigen nicht einmal den Sauerstoff aus Wasser. In der Atmosphäre ist genügend Sauerstoff frei verfügbar.
Im Zentrum des Versprechens von Wasserstoff stehen zwei Schlüsselqualitäten.
Erstens ist die Versorgung praktisch unbegrenzt. Da es sich um eine Primärquelle handelt Der Bestandteil von Wasser, eine wirtschaftliche Methode zur Gewinnung, ist das einzige, was zur Erzeugung von buchstäblichen Ozeanen an Energie benötigt wird.
Zweitens schadet die Verbrennung von Wasserstoff der Umwelt nicht. Sie führt das Gas einfach in die Form von Wasser zurück
Wasserstoff ist auch ein einzigartig flexibles Medium für die Speicherung und Verteilung von Energie. Er kann mithilfe einer Brennstoffzelle leicht in Elektrizität umgewandelt werden, und Elektrizität kann durch Elektrolyse von Wasser wieder in Wasserstoff umgewandelt werden / p>
Es wird über Pipelines übertragen, die denen für Erdgas ähneln, und kann Energie von großen, abgelegenen Kraftwerken zu einzelnen Häusern und Fabriken transportieren, wie dies jetzt bei Strom der Fall ist – jedoch mit weitaus größerer Effizienz.
Und Im Gegensatz zu Elektrizität kann Wasserstoff in Tanks aufbewahrt werden, um Fahrzeuge zu tanken oder Strom für Zeiträume von p zu speichern eak Nachfrage.
In den Worten von Peter Hoffman, Herausgeber und Verleger von The Hydrogen Letter : „Wasserstoff ist der Kraftstoff am Ende von die Linie, in der alles andere erschöpft, als nicht praktikabel oder umweltschädlich befunden wurde. „
Für die meisten Menschen zaubert das Wort Wasserstoff sofort das Gespenst des Hindenburg lenkbar und explodiert über der Landschaft von New Jersey.
▲ Das Modell LZ-129 Hindenburg, das in Lakehurst, New Jersey, brennt
Eine objektivere Analyse zeigt jedoch, dass Wasserstoff nicht gefährlicher ist als andere brennbare Materialien, die als Brennstoffe verwendet werden, und sogar einige enthält signifikante Sicherheitsvorteile.
Ironischerweise ist ein Beispiel dafür der Hindenburg Vorfall selbst.
Obwohl er Hunderte explodierte 62 der 97 Passagiere des Luftschiffs überlebten, teilweise wegen der Lightwei Das Gas stieg beim Verbrennen aus dem Fahrzeug auf und wurde in einer relativ kurzen Explosion verbraucht.
Kerosin-Düsentreibstoff hätte sich lange Zeit an das Wrack geklammert und heftig verbrannt und wahrscheinlich alle in der Nähe getötet.
Trotzdem ist die Hindenburg bleibt ein echtes Hindernis für die Akzeptanz von Wasserstoff in der Öffentlichkeit.
Von a Aus praktischer Sicht haben die eigentlichen Probleme jedoch mit Technik und Wirtschaftlichkeit zu tun.
Bei einer wichtigen Neuentwicklung in der Elektrolyse von Wasser ist eine dünne kunststoffähnliche Folie tatsächlich der Elektrolyt, ein Feststoff. Polymermaterial, das ein viel besserer Ionenleiter ist als der flüssige Kaliumhydroxid-Elektrolyt, der bei der herkömmlichen Elektrolyse mit Wasser verwendet wird.
Das Ergebnis: Mehr Wasserstoff bei gleicher Menge an verwendeter elektrischer Energie.
Dies ist nur einer von vielen Fortschritten auf dem Gebiet der Wasserstoffproduktion.
Andere umfassen:
• Ein Elektrolysesystem, das Wasser spaltet, wenn die Sonne auf seine Elektroden scheint
• Ein ele Ctrolyseverfahren, bei dem Kohlenstaub und Wasser verwendet werden und nur die Hälfte der für die konventionelle Elektrolyse benötigten Strommenge benötigt wird. • Biologische Organismen und Materialien, die Wasser spalten, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden.
• Thermochemische Kreisläufe, die durch intensive Hitze eine Wasserspaltung induzieren.
Warum all die intensive Forschung zur Wasserstoffproduktion?
Zwei Gründe.
Erstens wird Wasserstoff industriell häufig als chemisches Ausgangsmaterial für viele Herstellungsprozesse verwendet. Der meiste Wasserstoff stammt heute aus Erdgas und Erdöl, die relativ knapp sind.
Zweitens, wenn diese knappe Versorgung nicht mehr verfügbar ist, werden wir andere Wasserstoffquellen und andere Kraftstoffquellen benötigen.
Glücklicherweise enthält der Naturschutz eine praktisch unerschöpfliche Wasserstoffversorgung. Wir müssen nur die Kombination finden, um sie freizuschalten.
75 Prozent der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt.
Jedes Wassermolekül hat zwei Wasserstoffatome und Sauerstoff.
Wenn wir lernen können, den in diesem Wasser eingeschlossenen Wasserstoff wirtschaftlich zu extrahieren, sind unsere Kraftstoffsorgen vorbei.
Wasserstoff ist ein besserer Kraftstoff als Benzin.
Verschmutzungsfrei, verwandelt es sich beim Verbrennen wieder in Wasser.
Es packt mehr Energie pro Pfund als jeder Kraftstoff – zum Beispiel 19.000 Btu potenzielle Wärmeenergie für ein Pfund Benzin, 61.000 für ein Pfund flüssiger Wasserstoff.
Das größte Einzelproblem, das einer Wasserstoffwirtschaft im Wege steht, sind die Kosten.
Diese beiden Wasserstoffatome sind mit diesem Sauerstoffatom sehr freundlich.
Das Aufteilen erfordert Energie.
Bei der Elektrolyse von Wasser – der seit Jahrzehnten üblichen kommerziellen Methode zum Aufteilen von Wasser – wird diese Energie aus teurem Strom gewonnen.
„Elektrolyt Wasserstoff kostet heute in der Nähe von $ 15 – 25 US-Dollar pro Million Btu „, sagt Al Mezzina vom Brookhaven National Laboratory. „Benzin kostet ungefähr 6 bis 8 US-Dollar pro Million Btu.“
Elektrolytischer Wasserstoff macht aufgrund seiner Kosten nur etwa ein Prozent des gesamten produzierten Wasserstoffs aus.
Er wird dort verwendet, wo er besonders rein ist Wasserstoff wird benötigt – zum Beispiel bei Metallverarbeitungs- und Halbleiterherstellungsprozessen.
Aber die Zukunft ist nicht ganz trostlos.
Einige oder alle der gerade erwähnten Systeme könnten eines Tages eine Rolle spielen wichtige Rolle bei der Wasserstoffproduktion.
Sehen Sie sie sich genauer an.
Fortschritte in der Elektrolyse
Bei der herkömmlichen Elektrolyse wird eine Gleichspannung an zwei Elektroden angelegt, die in eine Lösung aus Wasser und Kaliumhydroxid getaucht sind. Wenn Strom fließt, findet ein Austausch von Ionen und Elektronen zwischen den Elektroden statt. Wasserstoffatome sammeln sich an der negativen Elektrode (Kathode) und Sauerstoffatome an der positiven Elektrode (Anode). Ein Separator zwischen den Elektroden trennt die Gase.
Heute arbeiten Forscher und Wissenschaftler in Brookhaven an einem experimentellen System, das einem herkömmlichen Elektrolysesystem ähnelt, jedoch keinen künstlichen Strom benötigt. Wie bei der herkömmlichen Elektrolyse verwendet das System zwei Elektroden. Der Unterschied besteht darin, dass die Anode ein spezieller lichtempfindlicher Halbleiter aus Eisenoxid ist.
„Sie ist mit einem dünnen Titandioxidfilm beschichtet, um zu verhindern, dass sie in ihrer Lösung aus Wasser und Kaliumhydroxid korrodiert. „sagt Dr. Chiang Yang, einer der an dem Experiment beteiligten Wissenschaftler. Wenn Sonnenlicht auf das System scheint, wird an der Anode ein elektrisches Potential erzeugt, wodurch Strom fließt. Ein Elektronen- und Ionenaustausch findet ähnlich wie bei einem herkömmlichen Elektrolysesystem statt.
„Auf diese Weise können Sie sich vorstellen, was an der Anode passiert“, erklärt Yang. „Wenn Sonnenlicht auf die Halbleiterelektrode fällt, werden einige Elektronen stark angeregt und ändern ihre Position, ähnlich wie Personen in einem Theater, die aufstehen, um anderen Menschen ihre Plätze zu geben. Dadurch müssen Löcher gefüllt werden. Andere Elektronen aus dem Wasser bewegen sich nach besetzen die Löcher. Dies führt zu Wasserspaltung.Aber manchmal bewegen sich die angeregten Elektronen zurück in die Löcher, die sie verlassen haben, bevor andere Elektronen aus dem Wasser eindringen können, als ob viele dieser Leute im Theater von ihren Sitzen aufstehen, besser darüber nachdenken und sich wieder hinsetzen würden. Dies ist verschwendete Bewegung, die nichts als Wärme erzeugt. Wir nennen es Rekombination. Wir wollen die Rekombination auf ein Minimum reduzieren, was eine andere Art zu sagen ist, dass wir unsere Effizienz steigern wollen. „
Bisher existiert das System nur als kleines Labormodell.
Abnehmend Die Rekombinationsrate ist nur eines der vielen Probleme, die gelöst werden müssen, bevor sie über dieses Stadium hinausgehen.
Und Dr. Yang warnt vor übermäßigem Optimismus. „Im Gesamtschema der Photoelektrolyse haben wir Folgendes getan Kein Durchbruch „, sagt er.“ Aber es ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung praktischer photoelektrolytischer Zellen. Dieses und andere ähnliche Systeme, die Sonnenlicht und Halbleiterelektroden verwenden, müssen jedoch vollständig erforscht werden. Wenn wir die Fehler beseitigen können können sie eine bedeutende Rolle bei der Wasserstoffproduktion spielen. „
Ein experimenteller photochemischer Ansatz zur Elektrolyse wird auch von a verfolgt Gruppe bei Caltech unter der Leitung von Prof. Harry B. Gray. Die Experimentatoren verwenden keine festen Elektroden, sondern ein einzigartiges künstliches Molekül (einen organischen Komplex mit dem Metall Rhodium im Kern). In Wasser gelöst und dem Sonnenlicht ausgesetzt, spaltet die Chemikalie Wassermoleküle und setzt Wasserstoff frei. „Es ist viel zu früh zu sagen, ob dies jemals kommerziell praktikabel sein wird“, sagt Dr. Virginia Houling, Mitglied des Forschungsteams von Gray. „Mit diesen Systemen sind wir auf dem neuesten Stand der Technik.“
Harry B. Gray | www.cce.caltech.edu
Ein weiterer vielversprechender Ansatz für die Elektrolyse ist das in Wilmington, Massachusetts, entwickelte GE-Festelektrolytsystem. Das Festpolymermaterial beträgt 10 mils dick und beidseitig mit einem dünnen Film aus Elektrodenmaterial beschichtet. „Dieses System ist in verschiedener Hinsicht wichtig“, sagt Jack Russell, GE-Programmmanager für Festpolymer-Elektrolyt-Elektrolyseprogramme. „Es ist effizienter als vergleichbare konventionelle Systeme, was im Wesentlichen bedeutet, dass Sie bei gleicher Strommenge mehr Wasserstoff produzieren können. Und es werden keine ätzenden flüssigen Elektrolyte verwendet. „
Ein weiteres Elektrolysesystem befindet sich an der Universität von Connecticut in einem sehr frühen experimentellen Stadium. Prof. Robert Coughlin verwendet einen herkömmlichen Elektrolyseur und eine Wasserlösung aus Natriumhydroxid oder -säure. Er fügt aber auch fein pulverisierte Kohle hinzu – die Art von Kohle, die Elektrizitätsversorger für ihre Turbinen verbrennen. Die pulverförmige Kohle hat den interessanten Effekt, die zur Erzeugung einer bestimmten Menge Wasserstoff benötigte Strommenge um 50 Prozent zu reduzieren. Die Kohle oxidiert und wird verbraucht Dabei reduziert die durch Oxidation erzeugte Energie die Menge an elektrischer Energie, die für die Elektrolyse benötigt wird.
Was das Endergebnis seiner ersten Laborarbeit sein wird, ist Coughlin nicht sicher.
„Aber wenn Sie die Möglichkeit haben, die Stromkosten um 50 Prozent zu senken“, sagt er, „müssen Sie das überprüfen. Und wir haben riesige Vorräte an Kohle. „
Nur wenige Experten bezweifeln, dass irgendeine Form der Elektrolyse, möglicherweise verschiedene Formen in verschiedenen Regionen, irgendwann eine wichtige Rolle bei der Wasserstoffproduktion spielen wird.
Zum Beispiel, sagt Brookhavens Mezzina, „während sich die Forschung an Photovoltaikzellen so weit entwickelt, dass sie billig genug und praktisch sind, könnten Elektrolyseure im Sonnengürtel von Solarzellen angetrieben werden. In Gebieten, in denen es nicht viel Sonne gibt.“ Aber viel Wasserkraft, Wasserkraftwerke können wasserspaltende Energie liefern. An noch anderen Orten können Kernkraftwerke den Strom liefern. „
Wasser mit Wärme spalten
Kernkraftwerke könnte auch Wärme für einen anderen Ansatz zur Wasserspaltung liefern – thermochemische Dissoziation.
Forscher wissen seit langem, dass Wasser, wenn es auf 3700 ° F erhitzt wird, spontan in Sauerstoff und Wasserstoff zerfällt.
Es gibt jedoch Probleme mit dieser Methode – nicht zuletzt mangelt es an Behältermaterialien, die solchen Temperaturen über einen längeren Zeitraum standhalten können.
Es gibt auch keinen praktischen Weg, dies zu erreichen solche Temperaturen.
Wenn jedoch dem Wasser bestimmte anorganische Verbindungen zugesetzt werden – beispielsweise Schwefeldioxid und Jod -, bricht das Wasser durch eine Reihe chemischer Reaktionen bei einer viel niedrigeren Temperatur auf: 1.400 ° F.
Am Ende des Prozesses werden die anorganischen Verbindungen regeneriert und der Prozess kann wieder gestartet werden Bisher verwendete mochemische Kreisläufe haben ihre Wärme aus konventionellen Laboröfen gewonnen.
„Wir sind noch Jahre vom eigentlichen Anschluss an einen Kernreaktor entfernt“, sagt Dr. Giovanni Caprioglio, Manager für Chemie bei General Atomic Corp. in San Diego, Kalifornien.
General Atomic ist einer der führenden Anbieter in der thermochemischen Forschung.
Ein Problem besteht darin, dass der einzige Reaktortyp, der Wärme bei der erforderlichen Temperatur von 1.400 Grad liefern kann, gasgekühlt ist Kernreaktor „. Und es gibt nur zwei von ihnen auf der Welt“, sagt Caprioglio. „Einer ist in Colorado und der andere in Deutschland.“
Die Wärme eines Sonnenkollektors könnte ebenfalls funktionieren. Georgia Tech hat einen Solarkollektor gebaut, der die benötigte Wärme liefern kann. „Aber der Wirkungsgrad ist möglicherweise nicht so hoch wie bei einem Kernreaktor“, sagt Caprioglio.
„Zu diesem Zeitpunkt kann niemand mit absoluter Sicherheit sagen, dass selbst wenn die technischen Probleme (wie z Wenn hitzebeständige Materialien gelöst werden, können wir die Kosten und die Effizienz auf ein vernünftiges Niveau bringen „, sagt Caroline Mason von den Los Alamos National Scientific Laboratories, wo auch an thermochemischen Kreisläufen geforscht wird. „Aber wir müssen es weiterverfolgen, um es herauszufinden.“
Caprioglio stimmt zu. „Wenn alles wie geplant verläuft“, sagt er, „wird es einige wesentliche Demonstrationsprozesse im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik geben, und wir werden“ Daten sammeln und einige ernsthafte Zahlen zur Effizienz- und Kostenanalyse aufstellen „.
Biologische Wasserspaltung
Es gibt Kreaturen auf der Erde, die Wasser ohne Elektrizität, Wärme, Hochtechnologie oder Anstrengung spalten Natürlich die grünen Pflanzen. Mit der grünlichen Verbindung Chlorophyll fangen sie die Energie des Sonnenlichts ein, um Wasser und Kohlendioxid in den Sauerstoff umzuwandeln, den wir atmen, und energiereiche Verbindungen, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten – die Kohlenhydrate.
Der Prozess, die Photosynthese, ist die Grundlage für das meiste Leben auf der Erde.
Diese Beobachtung hat einige Forscher dazu angeregt, dem wahrscheinlich exotischsten – und weitesten – aller experimentellen Wege zu folgen Wasserspaltung: Modifizierung des eigenen Photosyntheseprozesses der Pflanzen, so dass Wasserstoff freigesetzt wird und nicht in Kohlenhydraten eingeschlossen wird
Im Oak Ridge National Laboratory untersuchen Experimentatoren die Verwendung sowohl von Spinatchloroplasten (den scheibenartigen Strukturen, in denen die Photosynthese in grünen Pflanzen stattfindet) als auch von Süßwasseralgen zur Erzeugung von Wasserstoff. Dr. Elias Greenbaum vom Oak Ridge Lab sagte: „Es besteht die Möglichkeit, dass die photobiologische Wasserstoffproduktion ihren Platz unter den neuen Energiequellen einnimmt, die entwickelt wurden und werden, wenn fossile Brennstoffe zu teuer oder nicht mehr verfügbar sind.“ / p>
Niemand kann wirklich vorhersagen, wie das Ergebnis all dieser Forschung aussehen wird.
Viele Wissenschaftler und Forscher auf dem Gebiet der Wasserstoffproduktion haben zwei Themen stark geäußert:
1) Wir müssen alle möglichen Bereiche der Wasserstoffproduktion untersuchen, auch wenn sich viele als zu kostspielig, ineffizient oder unpraktisch erweisen. Nur so können echte Fortschritte erzielt werden.
2) Wasserstoff wird Der Treibstoff der Zukunft sein.
Die einzigen Fragen sind, wann und wie es produziert wird.
Wie zu erwarten war, haben diese beiden letzten Fragen unter den Experten erhebliche Meinungsverschiedenheiten ausgelöst, aber weniger als erwartet.
Die meisten waren sich einig, dass es weitere 20 Jahre dauern wird, bis Wasserstoff einen signifikanten Beitrag leistet zum Energiebild. Calvin sagt: „Innerhalb von 25 Jahren werden 10 Prozent der USA von der sogenannten Wasserstoffwirtschaft betroffen sein.“
Wasserstoff ist der vielversprechendste Kraftstoff für die Zukunft. Alle Experten glauben, dass wir lernen werden, es wirtschaftlich zu produzieren. Die Frage, die niemand beantworten kann, ist jedoch, wie schnell.
Es ist noch viel Forschung erforderlich.