Erdstartsystem mit Wassertreibstoff

Triebwerke auf Wasserbasis wurden für den Einsatz in Satelliten und anderen Weltraumfahrzeugen vorgeschlagen (und möglicherweise inzwischen getestet) - siehe diesen NASA-Artikel . Die Idee ist, eine Elektrolyse am Wasser durchzuführen, um Sauerstoff und Wasserstoff in zwei Blasen zu trennen und sie dann in eine Brennkammer zu pumpen.

Für eine schnelle Schätzung der Mathematik ist die Dichte von H 2 Ö = 1 G / C M 3 ; Dichte von H 2 = 0,07 G / C M 3 ; Dichte von Ö 2 = 1.14 G / C M 3 . Benötigtes Volumen für 1 g Treibmittel insgesamt ist 29.45 C M 3 für 2 H 2 + Ö 2 Und 2 C M 3 für 2 H 2 Ö (Nehmen Sie die Umkehrung jeder Dichte, um das Volumen pro Gramm zu erhalten, multiplizieren Sie es mit 1 Gramm). Die Speicherung von Wasser als Treibmittel erfordert also etwa 15-mal weniger Volumen als eine äquivalente Masse an getrenntem Wasserstoff und Sauerstoff (ohne Unterschiede in der erforderlichen Ausrüstung, nur die Treibmittel).

Meine Frage lautet: Könnte Wasser als Treibmittel mit einem Elektrolysemotor in einem Raketentriebwerk der 1. oder 2. Stufe zum Start von der Erde verwendet werden?

Die Dichte von Wasser ist 1g/cm^3, nicht 2.
Cool, das wusste ich nicht! Ich habe Ihren verlinkten Artikel mit meinen sozialen Medien geteilt. Danke.
@RussellBorogove, du hast natürlich Recht, und die Dichte ändert sich nicht mit erhöhten Portionen ... Ich hätte Volumen statt Dichte sprechen sollen.
@RussellBorogove Ich habe gerade meine Berechnungen aktualisiert, um sie an die Korrektur anzupassen, danke. Lassen Sie mich wissen, wenn dies falsch ist.
Woher kommt die Energie (bzw. der Strom) für die Elektrolyse?
@Jens, es müsste von der gespeicherten Stromversorgung des Fahrzeugs oder einer sehr leistungsstarken (und wahrscheinlich großen) Stromquelle stammen. Siehe die Antworten unten.

Antworten (5)

Lassen Sie uns einige Zahlen aufzählen: Ein einzelner Raptor-Motor verbraucht etwa 140 k G S von Methan, das in einer an Oxidationsmittel reichen Umgebung verbrannt wird, dh das Methan wird vollständig verbrannt. Beim Verbrennen von einem Kilogramm Methan wird eine Energie von 55.5 M J . Als solches hat ein Raptor-Motor einen chemischen Stromverbrauch von 7.77 G W . Das sind ein paar Kraftwerke im Wert von Strom .

Wenn Sie nun eine Elektrolyse durchführen, um Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen, verbrauchen Sie die gleiche Menge an Energie in Form von elektrischer Energie, die Sie als Wärme zurückgewinnen, wenn Sie die beiden Gase in einem Raketentriebwerk verbrennen. Und um die Notwendigkeit großer Wasserstoff-/Sauerstofftanks beim Aufstieg zu vermeiden, müssen Sie Ihren Treibstoff so schnell produzieren, wie Sie ihn verbrennen. Das heißt, Sie benötigen eine elektrische Energiequelle, die so stark ist wie ein Dutzend Kraftwerke, die direkt in Ihrer Rakete zusammengebaut sind .

Ich denke, es sollte offensichtlich sein, warum dies völlig unmöglich ist.

Hervorragende Aufschlüsselung. Die Geschwindigkeit, mit der die Elektrolyse stattfinden müsste, ist der Teil, der mir gefehlt hat. Danke schön!
Das ist 6,4-mal mehr Leistung, als Sie zum Betreiben einer Zeitmaschine benötigen.

Der Elektrolyse-basierte Antrieb wird erst praktisch, wenn Sie die Umlaufbahn erreicht haben, wo Sie die Elektrolyse mit Solarzellen betreiben können und wo Sie keinen enormen Schub benötigen. Was auch immer Sie verwenden würden, um die Elektrolyse für eine erste Stufe anzutreiben, wäre viel schwerer als ein herkömmlicher chemischer Antrieb.

Ganz zu schweigen von der Masse der Elektrolysezellen selbst. Und was auch immer Sie verwenden, um die Elektrolyse anzutreiben, hätte auch eine höhere Ausgangsleistung als der Raketenmotor, den Sie mit dem Ergebnis betanken. Sie sollten besser direkt Wasser kochen.
Wären Fernenergieoptionen wie Mikrowellen- oder Laserenergieübertragung nicht realisierbar? Das würde die Notwendigkeit beseitigen, den größten Teil des Stroms an Bord zu speichern (vielleicht wird ein kleiner Teil noch für Notfälle gespeichert und um die Elektrolyse bei widrigen Wetterbedingungen zu ergänzen).
@Engineer_Chris Ein Merlin 1D-Raketentriebwerk hat eine effektive Leistung von etwa 3 GW, und die erste Stufe hat 9 davon, für eine Gesamtabgasleistung, die den Drei-Schluchten-Staudamm schlägt. Also nein, Fernspeisung geht nicht.
Wir haben Laser gebaut, die stark genug sind, aber sie können nur den Bruchteil einer Sekunde laufen, lasers.llnl.gov/about/faqs#192_beams_produce . Und wir haben sicherlich keine Ziele, die so viel Strahlung absorbieren und in nützliche Energie umwandeln können.
Wenn Sie einen solchen Laser hätten, wäre es besser, ihn nur zum Kochen von Wasserstoff zu verwenden.
@ikrase vorausgesetzt, Sie können das Problem lösen, den vollen Treibmittelfluss eines Trägerraketen-Boosters mit einem Laserstrahl von außen zu kochen, ohne das Fahrzeug oder seine Nutzlast / Passagiere zu kochen. Tatsächlich wird es allgemein als schlecht angesehen, sie nur zu schmelzen.
In Raketentriebwerken wird die gesamte Energie in einer winzigen Brennkammer freigesetzt, die von Kühlkanälen umgeben ist, die die absorbierte Wärme direkt zurück in die Brennkammer leiten, wo sie sofort aus der Düse ausgestoßen wird. Nur ein winziger Teil des Systems ist der Ausgangsleistung ausgesetzt, und jede unzureichende Kühlleistung führt tendenziell zu einem fetten Motorabgas. Bei etwas, das externe Stromquellen verwendet, müssen Sie im Allgemeinen irgendwie Geräte mit sich führen, die in der Lage sind, diese Strommenge direkt zu manipulieren, ohne zu verdampfen. Das ist wirklich, wirklich schwer mit dem typischen verfügbaren Massenbudget zu machen.
@ikrase Es ist schwierig, reinen Wasserstoff zu erhitzen, indem man ihn mit Licht beleuchtet, da er ziemlich transparent ist. Wasser ist viel einfacher zu erhitzen und zu speichern. Den höchsten Isp zu bekommen ist nicht das A und O der Raketentechnik ;-)
@ChristopherJamesHuff Ich habe eine Idee für eine Stromversorgung für ein Hochenergie-Laserstartsystem gesehen ... es handelt sich um einen MHD-Generator, der von einem Saturn-Raketentriebwerk angetrieben wird :-D projectrho.com/public_html/rocket/surfaceorbit.php# Laserdetails
Abgesehen davon, dass die Fernenergie ungünstig ist, um das Wasser nur direkt mit dem Fernenergiesystem zu erhitzen, besteht auch die Möglichkeit, die Elektrolyseeinheit einfach am Boden zu belassen und ihre Ausgänge in einer herkömmlichen Rakete zu verwenden. Sie benötigen eine extrem masseeffiziente Elektrolyseeinheit, damit dies nicht vorzuziehen ist, wenn eine kryogene Lagerung eine Option ist.
@StarfishPrime Sie können den Wasserstoff mit Natriumdampf oder so etwas dotieren oder ihn mit gerade genug Sauerstoff verbrennen, um ihn zu verdampfen, und Treibpumpen betreiben und etwas Wassergehalt bereitstellen, um den Kraftstrahl zu absorbieren. Die Verbesserung der Leistung dieses speziellen Systems könnte den Unterschied ausmachen zwischen einem System, das einfach sündhaft teuer ist, und einem, das nicht einmal vom Boden abheben kann ... oder Sie könnten einfach eine herkömmliche chemische Rakete mit zwei Treibstoffen bauen.
@ user1937198 das hat auch den Vorteil, dass Sie ein optimaleres O / F-Verhältnis verwenden können ... Raketen verbrennen selten stöchiometrische Mischungen, sie verbrauchen normalerweise mehr Kraftstoff, um das durchschnittliche Molekulargewicht im Abgas und höhere Abgasgeschwindigkeiten zu reduzieren und zu steuern Korrosion des Motors.
@ChristopherJamesHuff Das und um das Risiko eines fetten Motormischungsverhältnisses zu verringern.
@ikrase, wenn Sie einen solchen Laser hätten, wäre es nicht eine bessere Kraftstoffquelle, ihn einfach zurückzuprallen, als das zusätzliche Treibmittel zu schleppen?
@John Dvorak für Photonendruck? Nein, das erfordert einen weitaus stärkeren Laser.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass dies nicht funktionieren würde, da diese Art von Triebwerken nicht genug Schub haben, um gegen die Schwerkraft der Erde abzuheben. Das HYDROS-C-Triebwerk (der Schwerpunkt des von Ihnen verlinkten Artikels) hat einen Schub von > 1,2 N , während (um ein Beispiel zu nennen) die Feststoffraketen-Booster des Space Shuttles jeweils 12-15 MN Schub hatten (je nach Stufe des Start). Das ist ein Unterschied von sieben Größenordnungen.

Die Größe der HYDROS-Triebwerke ist auch deutlich kleiner als die des Space Shuttles. In beiden Motoren wird der gleiche Verbrennungsprozess verwendet, sodass der Schub vergleichbar gemacht werden könnte (wenn es möglich wäre, die Leistungs- und Gewichtsprobleme zu überwinden).

Wasser ist das Verbrennungsprodukt mit geringer Entropie . (Deshalb tropft es aus dem Auspuffrohr Ihres Autos und ist die Reaktionsmasse, die aus den Haupttriebwerken des Space Shuttles spritzt.) Um es also als Raketentreibstoff zu verwenden, müssen Sie es zuerst "entzünden", und das dauert viel externe Energie.

Dies steht im Gegensatz zu normalen alten Chemiemotoren, die ihre Kraftstoffe "nur" direkt verbrennen.

Der Sinn von Elektrolysemotoren besteht darin, die Leistung von Hydrolox mit einem im Weltraum speicherbaren Treibstoff zu erhalten. Sie brauchen keine im Weltraum speicherbaren Treibmittel auf dem Pad, selbst wenn Sie es irgendwie tun könnten, warum sollten Sie?

Einer der wichtigsten Gründe ist die Sicherheit. Wasser ist nicht brennbar, was es für Astronauten viel sicherer macht.
@Engineer_Chris: Der Betrieb eines Multi-GW-Kernreaktors auf der anderen Seite wird ihn für die Astronauten und alle in einem ziemlich großen Radius erheblich weniger sicher machen. Das grundlegende Problem besteht darin, dass der Start eine enorme Energiemenge benötigt, und diese Energiemenge wird gefährlich sein, egal in welcher Form sie erfolgt.
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