Alternative Treibmittel in nuklearen Thermalraketen

Vor vielen Jahren las ich eine Science-Fiction-Geschichte „Raketenschiff Galileo“ , in der ein atomgetriebenes Raumschiff Zink als Treibmittel verwendete. Abgesehen von der phantasievollen Natur der Geschichte selbst habe ich mich gefragt, ob das Antriebskonzept – das Erzeugen von Schub durch Verwendung von nuklearer Wärmeenergie zum Verdampfen von Zink – eine solide Grundlage in Wissenschaft und Technik hatte. Insbesondere verleihen die Eigenschaften von Zink eine effektive Verwendung als nukleares thermisches Treibmittel? Es scheint Faktoren zu geben, die es ungeeignet machen könnten, wie z. B. der Schmelzpunkt, was zu Schwierigkeiten/Kompliziertheiten in einem Kraftstoffhandhabungssystem führen würde. Würde ein solches Treibmittel, abgesehen von solchen Problemen, irgendwelche Vorteile bieten, wie zum Beispiel einen hohen ISP?

Siehe auch: physical.stackexchange.com/q/246323/123208 (Sie können Zink durch einen Kernreaktor pumpen, ohne dass es einen großen Einfluss auf die Reaktion hat).
Ein offensichtlicher Vorteil, den ich mir vorstellen kann, ist seine Dichte. Dies würde nicht nur zu einem kleineren Tank führen, was für interplanetares Zeug nicht allzu wichtig ist, sondern könnte auch die Reaktor- / Wärmetauscherkammer im Motor kleiner machen, was als Ergebnis auch die TWR erhöhen könnte.
Es würde jedoch im spezifischen Impuls teuer zu stehen kommen. 30 Mal schlimmer als Wasserstoff! Von den beeindruckenden 2000 Sekunden gehen Sie auf 67 herunter. Eine AK-47 hat einen besseren spezifischen Impuls als dieser.
@SF Es ist schwer, Wasserstoff zu schlagen, wenn Sie nur SI suchen.
@Ryan_L Hydogen zu schlagen ist eine Sache. Schlechter abzuschneiden als Kaltgas-Triebwerke ist eine andere. Dieser ISp ist nicht nur niedrig. Es ist abgrundtief niedrig. An diesem Punkt ist so ziemlich jede andere Lösung besser. Sie könnten die F1 von Saturn V auf diese Rakete setzen und einen besseren Schub, einen besseren TWR und immer noch einen fast 4-mal besseren ISp erhalten.
Was sie gesagt haben. Die Verwendung von Zink als eigentliches Treibmittel ist c̵r̵a̵z̵y̵ suboptimal. Aber es als Wärmeaustauschmedium in einem Reaktor zu verwenden, ist wahrscheinlich in Ordnung. Es wäre einem natriumgekühlten Reaktor ähnlich , ohne die Reaktivitätsprobleme von Natrium, aber mit einem viel höheren Schmelzpunkt, was seine eigenen technischen Probleme mit sich bringt.
In der Tat ... warum sich mit einem Atomreaktor beschäftigen, wenn eine Schwarzpulverrakete ihn übertrifft? Realistischerweise ist flüssiger Wasserstoff das einzige praktische Treibmittel, das in einer nuklearen thermischen Rakete verwendet werden kann. Alles andere ist entweder kaum besser als eine chemische Rakete (und selbst um dorthin zu gelangen, ist ein NTR mit ungewöhnlich hoher Temperatur erforderlich) oder sogar schlechter.
@SF. Fehlt Ihnen nicht eine Quadratwurzel in dieser Molmassenskalierung? 5,5 Mal schlechter als Wasserstoff ist immer noch schlecht, aber nicht annähernd so schlimm wie 30x. (Die Metapher von Saturn V gilt jedoch immer noch)
@SE-stopfiringthegoodguys Möglicherweise. Das würde es auf Kosten eines sehr schweren Motors selbst mit chemischen Motoren vergleichen.
Gaskern-Kernwärmeraketenkonstruktionen oder nuklear-elektrothermische Konstruktionen können möglicherweise mit Nicht-Wasserstoff-Treibmitteln eine gute Leistung erbringen, wobei an diesem Punkt Wasserstoffträger-Treibmittel (Ammoniak, Hydrazin oder Methan) attraktiv sein können.

Antworten (2)

Zink hat eine zu hohe Molmasse, um in Nuclear Thermal Rockets (NTR) als Treibmittel eine praktische Anwendung zu finden. Eine zusätzliche Einschränkung bei NTR mit festem Kern ist die Schwierigkeit, Treibmitteltemperaturen von mehr als 2700°C zu erreichen, da es keine solchen Materialien gibt, die zufriedenstellende mechanische Eigenschaften bei höheren Temperaturen aufweisen. Zink hat einen relativ niedrigen Siedepunkt von 907 °C und eine niedrige Verdampfungsenergie (für Metall), aber auch eine 32,7-mal höhere Molmasse als Wasserstoff. Da bei den meisten Vollkern-NTR-Designs die Temperatur auf max. 2700°C - die Leistung einer solchen Rakete mit Zink als Treibmittel wäre auf dem Niveau von antikem Schwarzpulver. Andere NTR-Designs wie gepulster, flüssiger oder gasförmiger Kern sind Konzepte, aber es gelten immer noch dieselben Einschränkungen der hohen Molmasse von Zink, und leichte Gase wie Wasserstoff und Helium sind weitaus bessere Optionen.

Wenn es Feststoffe gibt, die für NTR als Treibmittel verwendet werden könnten, sollten sie unter den Hydriden leichter Elemente wie Li, Be, B (LiH, LiBH4, BeH2, LiBeH3, Li2BeH4) gesucht werden. Sie alle haben einen hohen Wasserstoffgehalt und können im Allgemeinen pro Volumen 30-70 % mehr Wasserstoff speichern als LH2. Beryllium ist extrem giftig und teuer und es ist unwahrscheinlich, dass es mit LiH und LiBH4 konkurrieren könnte, obwohl BeH2 einige attraktive Eigenschaften hat. LiBH4 hat die meisten Vorteile wie einen niedrigen Schmelzpunkt von 268 °C und einen anständigen Flüssigkeitsbereich von 112 °C vor der Zersetzung. Es wäre jedoch eine Herausforderung, LiBH4 vollständig in einzelne Elemente zu dissoziieren. LiH hingegen hat einen viel höheren Schmelzpunkt (immer noch niedriger als Zink), kann aber vollständig in einzelne Elemente zerlegt werden. Wasserstoff kann zuerst und Lithium (das bei 1330°C siedet) in der zweiten Stufe verwendet werden. Die durchschnittliche Molmasse von Gasen beträgt akzeptable 5,3 g / mol, möglicherweise sogar 4,67, wenn Li6-Isotop verwendet wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung des Li6-Isotops ist sein hoher Neutroneneinfangquerschnitt und seine Spaltung, die 4,8 MeV pro Atom freisetzt, während es sich in Tritium und Helium aufspaltet. Natürlich könnten solche NTR aufgrund der toxischen und korrosiven Natur der Lithiumverbindungen, die durch ihre Verbrennung in der Atmosphäre entstehen, nur im Weltraum verwendet werden.

Auch die Kühlung des Reaktors ist zu berücksichtigen. Raketen verwenden normalerweise regenerative Kühlung, um Wärme einzufangen und sie zurück in den Auspuff zu leiten, wo sie nützlich ist. Zinktreibstoff wäre nicht in der Lage, irgendeinen Teil der Rakete unter die Temperatur von geschmolzenem Zink zu kühlen, das heiß genug ist, dass viele Legierungen eine verringerte Festigkeit haben, viele Materialien unbrauchbar sind, komplexe Elektronik nicht funktioniert usw.

Würde ein solches Treibmittel, abgesehen von solchen Problemen, irgendwelche Vorteile bieten, wie zum Beispiel einen hohen ISP?

Es gibt eine und nur eine Eigenschaft, die dazu führt, dass Zink gelegentlich in NTR-Kontexten auftaucht .

Dichte

Alles andere über Zink als Treibmittel ist schrecklich.
Der ISP ist sehr schlecht. Der Umgang mit etwas, das unter normalen Bedingungen ein Feststoff ist, ist schlecht.

Aber die Dichte beträgt schöne 7,14 g/cm3 für den Feststoff, 6,57 g/cm3 für die mehrere hundert °C heiße Flüssigkeit, vermutlich etwas niedriger für eine matschige Mischung aus Pulver und Wasser.

Eine höhere Dichte ermöglicht es, mehr Treibstoff in die Tanks zu füllen, was einen Delta-V-Vorteil für Situationen ergibt, in denen keine Masse begrenzt ist.
... was so ziemlich nirgendwo ist, wo ein NTR nützlich wäre.

Mehr Masse bei niedrigeren Geschwindigkeiten bedeutet auch ein höheres T/W-Verhältnis bei gleicher Reaktorleistung.
... was auch nicht wirklich ein Anwendungsfall für einen NTR ist.

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