Die Raketengleichung von Tsiolkovski besagt, dass die Geschwindigkeitsänderung proportional zur Abgasgeschwindigkeit ist. Der chemische Antrieb scheint eine streng begrenzte und seit langem erreichte maximale Abgasgeschwindigkeit seiner Verbrennungsprodukte zu haben. Aber der heute angewandte Ionenantrieb hat bereits eine zehnmal höhere Abgasgeschwindigkeit und, denke ich, theoretisch keine eindeutige Obergrenze. Das Problem mit dem Ionenantrieb ist, dass er elektrisch ist und Solar- und Kernkraftwerke überhaupt keinen Strom mit einer so hohen Wirkung erzeugen wie eine chemische Verbrennung/Explosion. (So ist mein ungebildetes Verständnis.)
Könnte chemische Verbrennung verwendet werden, um einen Ionenmotor anzutreiben, um die Reisezeiten zu verkürzen? Dass ein interplanetares Raumschiff, anstatt allmählich die Sonnenstrahlen oder den Zerfall von Plutonium einzufangen, in Minuten statt in Monaten auf Hochgeschwindigkeit beschleunigen könnte, indem es plötzlich Wasserstoff und Sauerstoff in einer Art thermisch-chemischem Kraftwerk auf dem Raumschiff verbrennt, in elektrische Energie für die Ionenbeschleunigung? Verbinden Sie die Plötzlichkeit der Chemie mit der Effizienz von Ionen.
Wasserstoff-Sauerstoff- Brennstoffzellen , wie SOFC , haben eine maximale spezifische Energiedichte von ~ 17,9 MJ/kg (unter Verwendung von 142 MJ/kg für komprimierten Wasserstoff und einschließlich Sauerstoff bei 1:7,93 2H-O -Massenanteil, was Wasser zu einem stöchiometrisch perfekten Luftwert ergibt Kraftstoffverhältnis ). Andere chemische Komponenten ergeben eine niedrigere spezifische Energiedichte, da sie Brennstoffe mit höherer Molmasse verwenden. Das ist übrigens auch der Grund, warum LOX/LH2 den höchsten spezifischen Impuls unter den Chemieraketen erreichen. Heute liegt der theoretisch höchste Brennstoffzellenwirkungsgrad bei Wärmerückgewinnung bei 85–90 %. Wir sind also bei einer maximalen theoretischen spezifischen Energiedichte von ~ 16 MJ/kg.
Umgekehrt haben mit Plutonium ( Pu-238 ) betriebene RTGs eine spezifische Energiedichte von 2.239.000 MJ/kg. Wenn wir davon ausgehen, dass sie ausreichend Strom für ein Viertel ihrer Halbwertszeit von 87,7 Jahren erzeugen, runden wir es auf 20 Jahre auf, wir haben 14,6 % ihrer gesamten Leistungsdichte und einen Wirkungsgrad von 7 % genutzt (ziemlich gut für eine RTG, der Großteil seiner Energie endet als Abwärme), kommen wir auf unsere Systemleistungsdichte von 22.916 MJ/kg. Das ist über 1.400-mal mehr als unsere besten chemischen Kraftstoffe, wenn es um die Leistungsdichte geht (auf die es ankommt, wenn es darum geht, Masse zu bewegen).
Und es ist nicht so, dass RTGs viel effizienter wären, das ist es nur nicht, dass chemische Energie nicht in sehr masseneffizienter Form vorliegt. Brennstoffzellen werden gegenüber RTGs einige Vorteile haben, wie z. B. die Möglichkeit, nicht mehr benötigte Reaktionsprodukte über Bord zu werfen oder sogar anderswo zu verwenden (Kühlmittel, Trinkwasser, biologische Abschirmung, ...), und müssen nicht gegen den radioaktiven Zerfall des eigenen Brennstoffs abgeschirmt werden , und so weiter, aber es wird auch mit Nachteilen einhergehen, wie z. B. dass immer noch dickwandige oder stark hitzegeschützte Druckbehälter erforderlich sind, um nicht zu viel davon durch das Abdampfen des Brennstoffs an den Weltraum zu verlieren, energieeffiziente Brennstoffzellen erzeugen immer noch a viel überschüssige Wärme, die effizient abgestrahlt werden muss usw. Nicht, dass RTGs das nicht brauchen, aber Brennstoffzellen haben nicht so viele Vorteile gegenüber ihnen, um diese 1 auszugleichen,
Und da wir bereits über Kernkraft sprechen, werden RTGs vollständig von Kernspaltungsreaktoren mit einer spezifischen Energiedichte von 79.420.000 (Thorium) bis 80.620.000 (Uran) überschattet. Und es gibt kompakte, weltraumtaugliche Kernspaltungsreaktordesigns , wie SAFE , SP-100 , SNAP-10A , HOMER-15 , um nur einige zu nennen, die hauptsächlich das Design von Heatpipe Power Systems (HPS) verwenden. Wir müssen nur unsere Abneigung gegen alles Nukleare überwinden und damit beginnen, ihre Entwicklung, Erprobung und Verwendung zu regulieren, damit sie sowohl eine Option als auch eine sichere Verwendung darstellen.
Die Idee, eine leistungsstarke Stromquelle zu verwenden, um den Schub eines Ionentriebwerks zu erhöhen, ist definitiv vernünftig, aber die Ineffizienz bei der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie ist wirklich der begrenzende Faktor. Fügen Sie dazu die Komplexität des Antriebssystems hinzu, was zu einer erhöhten Masse und damit zu einem niedrigeren Gesamt-Delta-V bei gleicher Treibmittelmenge führt, und Sie verringern die Vorteile der Verwendung des Ionenantriebs überhaupt.
Im Moment sind Ionentriebwerke für Strom von Solar- oder Kernenergieversorgungen abhängig, und diese Quellen haben Grenzen hinsichtlich der verfügbaren Energiemenge - und begrenzen daher Ihren Schub. Größere Stromversorgungen könnten verwendet werden, um einen höheren Schub bereitzustellen. Wenn Ihre Wasserstoff-Brennstoffzelle (oder ein anderer chemischer Energiewandler) also eine höhere Leistung bei einer überschaubaren Masse liefern kann, wäre dies machbar. Das Mitführen der chemischen Treibmittel zur Stromerzeugung ist jedoch ein großes Problem – vielleicht wäre Ihre Idee also besser für futuristische interstellare Raumfahrzeuge geeignet, die unterwegs Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen könnten.
Brian Lynch
TildalWelle
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