Treibstoffherstellung auf dem Mars: Warum nicht einfach LH2/LOX statt Methan?

In diesem coolen Video einer Präsentation über die GPU-basierte Computational Fluid Dynamics von SpaceX gibt es schon früh eine Folie über die Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars – insbesondere die Verwendung von Wasser aus dem Boden und Kohlendioxid aus der Atmosphäre zur Herstellung von Sauerstoff und Methan:

2H2O + CO2 -> CH4 + 2O2

In diese Richtung zu gehen, erfordert Energie, und ich vermute, dass Solarenergie in irgendeiner Form sicherlich ein Weg wäre.

Aber warum es nicht einfach halten ("weil es nicht so ist" ist eine mögliche Antwort) und einfach Solarphotovoltaik und Elektrolyse verwenden, um LOX und LH2 aus demselben oben verwendeten Wasser herzustellen:

2H2O  -> 2H2 + O2

Was sind hier die hervorstechenden Kompromisse? Wenn die Folie Methan zeigt und die begleitende Diskussion über die Probleme beim Versuch, einen Methanmotor herzustellen, spricht, warum wird LOX + LH2 nicht diskutiert?

Methantreibstoff von SpaceX auf dem Mars

Antworten (3)

Flüssiger Wasserstoff ist schwierig zu handhaben. Die Temperatur muss 33 K oder weniger betragen. Flüssiger Sauerstoff erfordert 90K und flüssiges Methan ist ähnlich. Die Temperaturanforderungen sind als solche weit geringer. Die Oberfläche des Mars variiert zwischen 140 K und 300 K. Die Werte für die Speicherung von Methan/Sauerstoff liegen viel näher.

Methan benötigt auch weniger Wasserstoff als die LH2/LOX-Rakete. Es wurde angenommen, dass Wasserstoff auf dem Mars relativ schwer zu finden ist.

Schließlich ist flüssiger Wasserstoff sehr schwierig zu handhaben, wie in diesem NASA-Artikel erwähnt wird . Die Langzeitlagerung der Substanz ist noch nicht erreicht.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass es mit leichter Isolierung und niedrigem Druck viel einfacher ist, flüssige Gase auf dem Mars kalt zu halten als auf der Erde, sodass erdgebundene Argumente nicht direkt angewendet werden können. Hat sich jemand angesehen, wie schwer es ist, Wasserstoff speziell auf dem Mars zu speichern? Nachts haben Sie zum Beispiel eine riesige Kältesenke über Ihrem Kopf. Es ist nicht gefährlich oder explosiv (oder?) Hmm ... Reagiert Wasserstoff mit CO2?
Es ist schwer auf dem Mond oder im Weltraum, ich sehe nicht ein, warum auf dem Mars viel anders verwendet wird.
Denn „ mit leichter Isolierung und niedrigem Druck ist es viel einfacher, flüssige Gase auf dem Mars kalt zu halten als auf der Erde … “ Die thermische Belastung ist viel geringer, Vakuumpumpen müssen nicht annähernd so hart arbeiten. Die Wasserstoffversprödung ist jedoch immer noch ein Problem, und da draußen gibt es dieses Video, in dem Elon Musk sagt, Wasserstoff sei dumm. Nein, das hat er nicht gesagt, ich paraphrasiere.
Hier sind einige praktische Wasserstoff-Grundlagen . Das Ortho/Para-Problem scheint besorgniserregend.

Wie in der vorherigen Antwort kurz erwähnt, ist H 2 sehr schwierig zu handhaben. Die Temperatur ist eine Sache, aber was er nicht erwähnte, war seine extrem niedrige Dichte. Wenn ich mich richtig erinnere, benötigen die LH 2 -Tanks auf dem Shuttle etwa das 4-5-fache des Platzes seiner LOX-Tanks, wenn nicht mehr. Das Volumen und die Masse des Tanks selbst machen es sehr schwierig, mit ihnen umzugehen, und das Hinzufügen eines Kühlsystems, um zu verhindern, dass der Kraftstoff abkocht, verstärkt dieses Problem noch weiter.

Methan hingegen ist sehr dicht. Was ihm an Leistung fehlt, macht er mehr als wett, indem er ein vergleichsweise kleines Tankvolumen benötigt. Was Ihrer Rakete an ISP fehlt, wird sie mehr als wettmachen, indem sie mehr Treibstoff und weniger Eigengewicht aus den Tanks hat.

Bearbeiten: Ich habe vergessen zu erwähnen, dass die Elektrolyse von Wasser in H 2 /O 2 sehr viel elektrische Energie erfordert. Die Sabatier-Reaktion (2H 2 O + CO 2 => CH 4 2O 2 ) ist wesentlich energieeffizienter.

Also, zusätzlich zu meinen Punkten über die geringe Dichte und die hohe Masse des Tanks/Unterstützungssystems, die mit LH 2 verbunden sind, würden Sie auch eine beträchtliche zusätzliche Triebwerksmasse benötigen.

Vielen Dank! Können Sie mir helfen, den Teil "wesentlich effizienter" zu verstehen? Wollen Sie damit sagen, dass die Gewinnung von LH2 aus H2O unter Verwendung von Sonnenlicht nur durch Elektrolyse erfolgen kann und dass die Elektrolyse von Wasser ein ineffizienter Prozess ist? Aber dasselbe Wasser aufzuspalten, um CH4 herzustellen, ist effizienter?
Wasser in H2 und O2 zu elektrolysieren ist die Kunst, elektrischen Strom durch es zu leiten, um seine Wasserstoffbrücken zu brechen. Viel Strom. Die Sabatier-Reaktion hingegen beinhaltet das Leiten von Kohlendioxid und Wasser über einen erhitzten (einige hundert Grad C) Katalysator. Da wir Moleküle reagieren lassen, anstatt sie einfach auseinanderzureißen, erledigen die Kräfte der Chemie die meiste schwere Arbeit für uns. Ich bin gerade von der Arbeit gekommen und bin wirklich müde, also entschuldige ich mich für die fehlenden Zahlen. Ich versuche nur zu teilen, woran ich mich erinnern kann.
OK ist die Sabatier-Reaktion CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O + Energie ? Wenn ja, woher kommt das ganze H2, wenn nicht aus dem Energieverbrauch, um Wasser zu spalten? Wenn Sie sich den fünfminütigen Abschnitt von Feynmans „The Pleasure of Finding Things Out“-Video ansehen oder das Buch zwischen 07:00 und 12:00 Uhr lesen (ich habe gerade keine Kopie zur Überprüfung), sagt er es besser als Ich kann.
Das nutzt die Reaktion zur Stromerzeugung. Ich spreche davon, Energie in die Reaktion zu stecken, um H2O und CO2 in Methansauerstoff umzuwandeln. Verwirrenderweise wird es die Sabatier-Reaktion genannt, unabhängig davon, in welche Richtung es geht.
In diesem Zusammenhang scheint es als Sabatier-Verfahren bezeichnet zu werden, wenn Sie Ihren Wasserstoff aus einer Flasche erhalten, oder als Sabatier/Elektrolyse (SE)-Verfahren, wenn Sie Elektrolyse verwenden, um Wasserstoff zu erhalten, anstatt ihn zu bestellen und ihn von jemandem in Ihr Labor liefern zu lassen. Siehe: Zubrin, R., Muscatello, A. und Berggren, M. (2013). " Integriertes Mars-In-situ-Treibstoffproduktionssystem. " J. Aerosp. Eng., 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000201, 43-56. http://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29AS.1943-5525.0000201 .
Diese Antwort weist darauf hin, dass flüssiger Wasserstoff tatsächlich eine so geringe Dichte hat, dass einige Metallhydride sogar mit den anderen Elementen in der Verbindung die doppelte Wasserstoffdichte haben . Wasserstoff ist einfach flauschig, es sei denn, er ist durch Bindung an andere Elemente gebunden.

Zusätzlich zu den obigen Antworten ist die Fluchtgeschwindigkeit von der Marsoberfläche weniger als halb so hoch wie die von der Erde, 5,0 statt 11,2 km/s. Der hohe ISP von LH2/LOX wird also kaum benötigt. Oder andersherum ausgedrückt: Der niedrige ISP von CH4 ist weniger eine Verschwendung von PV-Energie als auf der Erde.

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