Verwendung von Wasser als hochdichtes speicherbares Hydro-Lox-Treibmittel

Hydro/lox ist eine ausgezeichnete Brennstoffwahl und wurde in vielen Triebwerken/Raketen mit hohen ISP-Anforderungen verwendet, jedoch sind die beiden größten Nachteile des Treibmittels seine Dichte und sein Abdampfen. Könnte dies gelöst werden, indem das Treibmittel als Wasser bei atmosphärischem Druck gespeichert und dann Sonnenkollektoren oder sogar RTGs verwendet werden, um die Energie zu erzeugen, die erforderlich ist, um Wasser durch Elektrolyse in 2 H / O umzuwandeln? Dies hätte den Nachteil, dass es stöchiometrisch und nur mit einer großen Leistungsquelle relativ zum Motor verbrannt werden müsste, was möglicherweise seine Verwendung auf Raumsonden beschränkt. Könnte dies möglicherweise Ionenmotoren als kostengünstige Alternative mit hohem T/W ersetzen?

Ich habe eine Teilantwort hinterlassen, aber ich denke, dass dies eine gründlichere Behandlung verdient. Gute Frage!
@uhoh ja danke für deine antwort ionenmotoren würden eine solche technologie wahrscheinlich obsolet machen
Könnte gemacht werden, ja. Damit dies jedoch Sinn macht, benötigen Sie ein sehr spezifisches Szenario: 1) Sie müssen einen hohen Schub benötigen (den Sie von Ionenantrieben nicht erhalten würden); 2) Sie müssen vorher eine sehr lange Schub-/Abstellphase haben , z. B. mehrere Jahre (keine Speicherung von Wasserstoff wegen Verdampfung möglich). Dann könnten Sie mit Ihrer Stromquelle die Hydrolox-Tanks effizient vorab aus dem Wassertank befüllen. Damit dies sinnvoll ist, müssten außerdem 3) die Gesamteffizienz, die Kosten und die Zuverlässigkeit dieses Systems mindestens denen von SRBs entsprechen. Vielleicht gibt es einige militärische Anwendungsfälle.
Wenn Sie Kernenergie verwenden, um das Antriebssystem anzutreiben, ist der bessere Ansatz für einen hohen ISP der Ionenantrieb. für hohen Schub, bei dem ISP weniger von Bedeutung ist, direkte Überhitzung des Treibmittels. Wasser ist möglicherweise nicht die beste Wahl für ein lagerfähiges Treibmittel, da es bei einer möglicherweise unangenehm hohen Temperatur gefriert.

Antworten (6)

Der Zweck des Verbrennens von chemischem Treibmittel besteht darin, chemische Energie in Wärme umzuwandeln und diese Wärme zum Beschleunigen des Treibmittels zu verwenden. Wenn Sie mit elektrischem Strom beginnen, haben Sie keinen Grund, die Energie, die Sie in eine bestimmte Treibmittelmasse stecken, auf das zu beschränken, was Sie darin als chemische Energie speichern können: Erhitzen Sie einfach Wasser direkt, und Sie können Temperaturen erreichen, die bei einer Verbrennung nicht möglich wären. nicht erreichen und ein chemisches Hydrolox-Triebwerk übertreffen. Erhitzen Sie es ausreichend und Sie dissoziieren das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch der spezifische Impuls weiter verbessert wird, indem das durchschnittliche Molekulargewicht verringert wird. Die von Momentus entwickelte Thruster-Technologie ist ein Beispiel dafür, die Mikrowellenheizung verwendet: https://momentus.space/

Wenn Sie mehr Schub als Treibmitteleffizienz benötigen, können Sie mit einer niedrigeren Temperatur und einem höheren Massendurchsatz fahren. Eine einfache Widerstandsheizung könnte in diesem Fall ausreichen ... ein Resistojet.

Darüber hinaus ist Wasser das chemische Produkt der vollständigen Oxidation (Verbrennung) von Wasserstoff. Sie können aus dieser Reaktion nicht mehr Energie gewinnen , als Sie aufwenden müssen, um sie umzukehren (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik), und in der Praxis müssen Sie mehr Energie aufwenden, als Sie zurückbekommen können. Wasser zu hydrolysieren, nur um den resultierenden Wasserstoff und Sauerstoff zu verbrennen, ist also ein Verlustgeschäft.
@JohnBollinger Sie scheinen den Punkt zu übersehen - bei einem Satelliten im Weltraum würde diese Energie aus Sonnenlicht stammen, sodass das Wasser dazu dient, Elektrizität in Schub umzuwandeln, sodass die Effizienz der Elektrolyse fast völlig irrelevant ist. Wichtig ist nur, ob es (in einem bestimmten Szenario) effizienter ist als andere elektrisch angetriebene Triebwerke
@JohnBollinger Es gibt auch Ineffizienzen beim direkten Erhitzen des Wassers. Beispielsweise ist die Erzeugung von Mikrowellen bei weitem nicht zu 100 % effizient. Und natürlich müssen Sie die Energiekosten für die Aufspaltung der Moleküle bezahlen, wenn Sie dissoziierte Abgase wünschen ... es ist nur ein Teil des Handels mit der Leistung / Treibmitteleffizienz.
@JohnBollinger Der Vorteil des Teilens von Wasser ist die hohe Leistung (Energie / Zeit), die durch das Verbrennen von H2 / O2 geliefert wird, was manchmal für Orbitalmanöver wichtig ist. Der Hydrolox ist ein immenser Energiespeicher, der in kürzester Zeit in Schub umgewandelt werden kann. Chemische Energie hat immer noch die höchste Energiedichte (pro Volumen? Masse? nicht sicher). Das direkte „Speichern“ von Elektrizität (Superkondensatoren, Batterien) ist weniger effizient (und eigentlich sowieso nur eine andere Geschmacksrichtung chemischer Energie!).
@Peter-ReinstateMonica Schlagen Sie vor, über einen langen Zeitraum erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff zu speichern und in einer kurzen Verbrennung zu verwenden? Dies würde mehr Schub ermöglichen und den Oberth-Effekt besser nutzen, aber Sie wären auf die Leistung von Hydrolox mit einer stöchiometrischen Mischung beschränkt (oder die Nachteile des Herumtragens von sauerstoffhaltigem Wasser, das nach der Elektrolyse verworfen wird), und Sie würden müssen schwere Druckbehälter für gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff tragen, die eigentlich nicht viel Treibstoff fassen. (Wenn Sie H2 und O2 verflüssigen könnten, würden Sie kein Wasser elektrolysieren.)
Eine möglicherweise interessante Randbemerkung: Es gibt tatsächlich kleine Fackeln, die für die Metallbearbeitung in kleinem Maßstab (wie Schmuck) verwendet werden und auf diese Weise funktionieren, indem sie Wasser elektrolysieren, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, der verbrannt wird. Natürlich gibt es bei dieser Anwendung einen ganz anderen Satz wünschenswerter Eigenschaften und Kompromisse.

Teilantwort:

Wenn man Solarstrom hat, kann man jedes Kilogramm Treibstoff viel effektiver nutzen (dh höheres Delta-V durch einen höheren Isp), wenn es ionisiert und beschleunigt wird. Die elektrostatische Beschleunigung kann eine Geschwindigkeit von etwa 10.000 bis 100.000 m/s (oder möglicherweise höher (verzeihen Sie das Wortspiel)) verleihen, gegenüber etwa 4500 m/s bei einem chemischen 2H2 + O2-Motor.

Während Sie dies tun könnten (es gibt keinen grundlegenden Grund, warum nicht), wäre es viel besser, etwas Krypton oder sogar Jod zum Ionisieren mitzubringen, anstatt Wasser zum Spalten und Neuformen.

Xenon und Krypton

Feststoffe wie Jod und Lithium

Leichtere Alternativen

Molekulare Spezies

Warum gerade diese Elemente? Ehrliche Frage.
@BolucPapuccuoglu und auch eine gute Frage! Sie haben Recht, ich hatte ursprünglich geplant, auf andere Posts über diese zu verlinken, ich werde Sie anpingen, wenn ich das tue. Kurze Antwort ist, dass Edelgase wie Xenon und Krypton leicht zu ionisieren sind, so dass für die meisten Motoren die Netzteile und Magnete, die das Plasma erzeugen und die Elektronen enthalten, leichter sein können, aber sie müssen in einer schweren Hochdruckgasflasche aufbewahrt werden. Jod kann als Feststoff unter mäßigem Druck gelagert werden, um Gewicht zu sparen, aber es ist immer noch experimentell.
@uhoh - Wasser wird eine verfügbare Weltraumressource sein, die von der Erde entfernt ist, aber Xenon und Krypton müssen von der Erde kommen.

Flüssigkeiten eignen sich wesentlich besser zum Kühlen als Gase. Der VW-Käfermotor war der einzige, der zwischen vielen anderen wassergekühlten Automotoren eine Luftkühlung verwendete. Kein moderner Automotor verwendet Luftkühlung.

(Tut mir leid, ich habe hier nicht den Ruf, einen Kommentar abzugeben). Mir fallen spontan zwei weitere luftgekühlte Automotoren ein: Porsche und Corvair. Vergessen wir nicht all die luftgekühlten Flugmotoren da draußen, auch heute noch! Luftgekühlte Motoren waren viel leichter und einfacher. Der einzige Grund, warum man sie nicht mehr in Autos sieht, ist, dass ihre Betriebstemperatur (im Vergleich zu wassergekühlten) schwer zu kontrollieren ist, was zu viel mehr Schadstoffausstoß führt.

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Die in Kühlkreisläufen von Raketentriebwerken verwendeten Kühlmittel verdampfen oft, bleiben aber flüssig, da sie überkritisch sind
Mein Freund hatte einmal einen Corvair, aber er sagte mir, dass er gelesen hatte, dass sie bei einer bestimmten Geschwindigkeit gefährlich waren, aber ich erinnere mich nicht, welche Geschwindigkeit es war ... Ich besaß auch einmal einen Plymouth Satellite und besprach ihn in dieser Antwort, aber ich In dieser Antwort wurden auch Dinge im Zusammenhang mit der Weltraumforschung besprochen. Wenn Sie dies als Antwortbeitrag behalten möchten (und das könnte leicht möglich sein), fügen Sie irgendwie etwas hinzu, um sich auf Aspekte der Frage im Zusammenhang mit der Raumfahrt zu konzentrieren? Danke!

Ja, und es gab Pläne für kommerzielle Fracht, Wasser zu einem Gateway zu liefern, wo es durch Elektrolyse gespalten würde, um Treibmittel für ein wiederverwendbares Abstiegs-/Aufstiegsfahrzeug zu erzeugen.

Während die Elektrolyse energieintensiv ist, kann das Wasser über ein paar Monate aufgeteilt und gespeichert werden, bis es innerhalb von Minuten verwendet wird, so dass für ein wiederverwendbares System wie dieses die Masse der Sonnenkollektoren, Elektrolyse, Kühl- und Speichergeräte gleich eins ist -Off-Kosten für das Gateway, nicht diejenigen, die für das (relativ) hohe Schubkraftfahrzeug bezahlt werden müssen.

"Das Wasser kann nur über Wochen aufgeteilt und gespeichert werden", wenn Sie beide große Tanks für flüssiges Wasser und gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff haben. Die Verwendung kleiner und leichter Tanks für Flüssiggase ist über Wochen schwierig und würde einen schweren Gaskühler erfordern.
ja @uwe, wie im zweiten Absatz erklärt, macht es nur Sinn für eine Tankstelle, nicht für ein Fahrzeug.
Sie könnten das Wasser als Eis speichern, das in eine mehrschichtige Isolierung eingewickelt ist. Ein echter Tank ist nicht erforderlich.
Auch hier können Sie Wasser einfach direkt verwenden, indem Sie es mit einer Kernkraftquelle erhitzen. Es wurde an nuklearen Dampflandern für den Mond gearbeitet. Der Vorteil ist, dass Sie nicht alle teuren Geräte für die Elektrolyse und die Lagerung von kryogenen Brennstoffen benötigen. Bauen Sie einfach einen Lander mit einer großen Wasserblase, drücken Sie das Wasser in eine nuklearbetriebene Heizkammer, die es in Dampf versetzt und aus einer Düse schießt. In Bezug auf ISP ist es weniger effizient, aber TWR ist aufgrund der Einfachheit ziemlich gut. In einer 1/6g-Airleas-Umgebung funktioniert dies auf dem Papier ziemlich gut.
beinhaltet aber eine Kernenergiequelle @DanHanson

Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit elektrischem Strom ist sehr ineffizient. Der Innenwiderstand der Elektrolysezelle verursacht einen großen Leistungsverlust. Der Widerstand kann durch Verringerung des Abstands zwischen den beiden Elektroden verringert werden, aber Sie benötigen einen Mindestabstand für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff.

Mittels Elektrolyse erhält man gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff. Aber ein Hydrolox-Raketentriebwerk ist für Flüssigkeiten ausgelegt, nicht für Gase. Die notwendige Kühlung der Brennkammer erfolgt ausschließlich durch Flüssigkeiten. Die Turbopumpen funktionieren nicht mit Gasen.

Flüssigkeiten eignen sich wesentlich besser zum Kühlen als Gase. Der VW-Käfermotor war der einzige, der zwischen vielen anderen wassergekühlten Automotoren eine Luftkühlung verwendete. Kein moderner Automotor verwendet Luftkühlung.

Das Abgas eines Hydrolox-Raketentriebwerks ist extrem heißer Wasserdampf, daher ist es einfacher und effizienter, ein elektrisch beheiztes Dampfraketentriebwerk zu verwenden. Das Erreichen einer vergleichbaren Dampftemperatur ist jedoch nicht einfach

Sie kümmern sich nicht wirklich um die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff, wenn Sie es direkt verbrennen. Sie können das Gemisch einfach in die Brennkammer pumpen. Außerdem wird die Durchflussrate ziemlich niedrig sein, sodass Sie sich nicht um Turbopumpen oder Kühlung kümmern müssen.

In den meisten Szenarien kann ich mir nicht vorstellen, dass der zusätzliche ISP von Hydrolox all die zusätzliche Ausrüstung wert ist, die Sie tragen müssen, um dies durchzuziehen.

Eine Mission sehe ich jedoch: Zwischen Körpern in der Oortschen Wolke hüpfen. Der Schlüssel ist, dass Sie das Wasser nicht tragen, sondern es an jedem Ziel abbauen. Ob es eine Mission gibt, bei der sie nahe genug beieinander sind, um dies praktisch zu machen, ist jedoch eine ganz andere Sache ...

Verwendung von Wasser als hochdichtes speicherbares Hydro-Lox-Treibmittel
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