Wäre es praktisch, den Auspuff einer Rakete aufzufangen, um ihn als Treibstoff wiederzuverwenden?

Wie jedes Perpetuum mobile wird es nicht funktionieren. In diesem Fall gibt es zwei Hauptgründe.

Erstens drückt Ihr Pfeil "Treibstoff zurücksenden" die Masse nach vorne; Jede Aktion hat eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, so dass das Vorwärtsschieben dieser Masse den Rest der Rakete nach hinten drückt.

Zweitens ist der Auspuff kein Kraftstoff; es ist bereits verbrannt, und die chemische Energie des Kraftstoffs wurde in kinetische Energie umgewandelt. Es gibt keine einfache Möglichkeit, es zurück zu konvertieren. Es ist gleichbedeutend damit, die Asche und Gase, die von einem Holz- oder Holzkohlefeuer freigesetzt werden, zu nehmen und zu versuchen, sie erneut zu verbrennen.

Dies ist fast ein Weltraumbrunnen .

Allerdings fehlt ein wesentliches Detail: Der Kollektor sollte nicht mit dem Schiff verbunden, sondern fest im Boden verankert werden. Der Boden ist eine großartige Senke für Schwung!

Noch näher an Ihrem Diagramm, aber mit dem wesentlichen Detail, dass sie nicht verbunden sind, würden zwei Schiffe, die Treibmittel zwischen sich pingen, in entgegengesetzte Richtungen beschleunigen. Die Impulssumme ist immer noch Null, aber das ist auch bei einer normalen Rakete der Fall.

Nein, das wäre nicht praktikabel.

Es ist theoretisch möglich, Abgas wieder in Kraftstoff umzuwandeln. Ich weiß, dass Raketen verschiedene Kraftstoff- / Oxidationsmittelverbindungen verwenden, wie zum Beispiel Hydrazin und seine durch Distickstofftetroxid oxidierten Derivate, aber betrachten wir ein einfacheres Beispiel, da die Schlussfolgerung auch gilt, wenn sie auf alle anderen Kraftstoff- und Oxidationsmittelduos angewendet wird. Wenn wir flüssigen Wasserstoff als Brennstoff und flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, ist das Verbrennungsprodukt Wasserdampf. Es ist durchaus möglich, das Wasser wieder in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln.

Das Problem bei einem solchen Ansatz ist jedoch grundlegender: Die Umwandlung von Verbrennungsprodukten zurück in Substrate (Brennstoff und Oxidationsmittel) erfordert eine Energiezufuhr, und, was noch wichtiger ist, unter Berücksichtigung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, es wird immer mehr Energie benötigt, als daraus gewonnen wurde Verbrennung an erster Stelle. Das Nettoergebnis von gewonnener und verbrauchter Energie ist zwangsläufig immer negativ, unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, um Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen.

Jede vermeintliche Lösung dieses fundamentalen Problems müsste gegen die Gesetze der Physik verstoßen. Und im Gegensatz zu Behauptungen in einigen anderen Antworten ist es nicht unbedingt schwierig oder kompliziert, Abgase wieder in Kraftstoff und Oxidationsmittel umzuwandeln. Alles, was für die Wasserelektrolyse benötigt wird, sind zwei Elektroden und eine Stromquelle mit einer Spannung von über etwa 1,23 V; Optional, aber dringend empfohlen, wäre auch eine kleine Menge einer starken und elektrolytisch inerten ionischen Verbindung wie Schwefelsäure oder Natriumhydroxid, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Prozess selbst ist wirklich einfach, erfordert keine "Spitzen"-Technologie (oder was auch immer heutzutage ein Modewort ist) und möglicherweise könnte jeder einen solchen Prozess jetzt zu Hause durchführen. Und bei ausreichend langer Zeit werden auch die Produkte der Holzverbrennung (vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid vorausgesetzt, Wasser und Mineralasche) werden gewissermaßen teilweise wieder in Holz und Sauerstoff umgewandelt, da wachsende Bäume diese Substanzen während der Photosynthese wieder aus der Luft und dem Boden aufnehmen. Solche Behauptungen könnten darauf hindeuten, dass es möglich sein könnte, aber schwierig ist und die Erfindung einer innovativen Technologie erfordert, während es tatsächlich möglich ist, aber nur einen Nettoenergieverlust hätte und daher keinen Sinn ergeben würde.

Auch spielt es keine Rolle, mit welcher Methode Wasserstoff mit Sauerstoff umgesetzt wird: Verbrennung, inverse Elektrolyse in sogenannten "Brennstoffzellen" usw. liefern immer weniger Energie, als benötigt wird, um das entstehende Wasser wieder in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln.

Eine berühmte Serie alter Bilder aus dem Jahr 2010 zeigt ein anderes, aber im Prinzip ähnliches, unmögliches Konzept (Bilder anklicken, um Vollversionen zu sehen):

Die ursprüngliche Frage bezog sich auf ein Schema zum "Auffangen des Treibstoffs, während Sie gehen", gab jedoch nicht an, ob die Linie, die ein Raketenbild mit einem "Kollektor" [sic] -Bild verband, anzeigte, dass zwei Dinge durch einen starren Körper oder zwei Funktionsblöcke verbunden waren Die Bezeichnungen waren durch einen Plan verbunden, Treibmittel vom Kollektor irgendwann ohne starre Körperverbindung zwischen den beiden Dingen zur Rakete zu schicken. Ich wähle die letztere Interpretation, weil sie die physische Umsetzung der Idee ermöglicht.
Es ist also absolut praktisch, die Raketenabgase zu recyceln. Es muss kein Wasserstoff- und Sauerstoff-Treibmittel sein. Es könnte Methan und Sauerstoff in einem Verhältnis von vielleicht 3 kg Sauerstoff zu 1 kg Methan sein, in diesem Fall sollten Sie Abgase wie Kohlendioxid, Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Wasserstoff erhalten. [Ben Munro, Maschinenbauingenieur] (https://www.benjaminmunro.com/liquid-oxygen-methan-engine-development )
Kohlendioxid kann mit Wasserstoff in der Sabatier-Reaktion wieder in Methan umgewandelt werden. [Die Renaissance der Sabatier-Reaktion und ihre Anwendungen auf der Erde und im Weltraum] ( https://www.nature.com/articles/s41929-019-0244-4 ) Kohlenmonoxid kann auch mit Wasserstoff, einem Katalysator, in Methan umgewandelt werden , Druck und Hitze. ["Adsorption and Desorption of Hydrogen, Carbon Monoxide, and Their Reaction Products on a Catalyst for the Synthesis of Methanol" von C. AHARONI und H. STARE] ( https://cdnsciencepub.com/doi/pdf/10.1139/v74- 603). Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasserdampf gewonnen werden. Die Rückgewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse ist ein wesentlicher Teil der Recyclingbemühungen und erfordert elektrische Energie und Zeit.
Der Vorschlag, Raketenabgase zu recyceln, und ein Vorschlag, wie dies zu tun ist, sind im Internet aufgetaucht. [RECYCLING ROCKET EXHAUST] ( https://lunarpedia.org/w/RECYCLING_ROCKET_EXHAUST) Ich zögere, diese Referenz anzubieten, weil ich den Lunarpedia-Artikel gepostet habe, also ist er nicht maßgeblicher als ich, aber er zeigt, dass ich nicht plagiiere. An der physikalischen Möglichkeit, Raketenabgase aufzufangen und zu recyceln, besteht kein Zweifel. Es erfordert keinen Ingenieurabschluss wie ich, um die beteiligten Konzepte zu verstehen. Der Bau einer dreißig Meilen langen Röhre auf der Oberfläche des Erdmondes entlang des Äquators, durch die eine Rakete mit 30 Metern pro Sekunde im Quadrat zur Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt, würde es ermöglichen, den größten Teil des Abgases einzufangen, indem die Tür geschlossen wird, nachdem die Rakete abfliegt. Die horizontale Beschleunigung auf Umlaufgeschwindigkeit war das erste von Sir Isaac Newton vorgeschlagene Mittel. [Newtons Orbitalkanone] (http://www.astronautix.com/n/newtonsorbitalcannon.html#:~:text=Newtons%20Orbital%20Cannon&text=British%20gun%2Dlaunched%20orbital%20launch,for%20space%20travel%20and%20rocketry. ).
Senkrechte Starts auf dem Mond haben den Vorteil, dass der Freiraumschub durch die Schwerkraft bereitgestellt wird. Wenn eine Rakete horizontal in einem Rohr abgefeuert werden soll, kann eine elektromagnetische Startunterstützung durch eine elektrisch beschleunigte mobile Abschussrampe für Freiraum sorgen, während die Rakete in dem Rohr gehalten wird. Die elektrische Starthilfe kann auch 4 % des Missions-Delta v bereitstellen.
Da keine solche Recyclinganlage für Raketenabgase gebaut wurde, ist der Prozentsatz des Treibmittels, der von der ursprünglichen Rakete nach ihrer Rückkehr oder von einer anderen Rakete zurückgewonnen und wiederverwendet werden könnte, nicht bekannt. Ich vermute, dass eine echte Anlage mehr als 95 % des verbrauchten Treibmittels recyceln könnte. Wenn der Rest des verlorenen Treibstoffs ersetzt wird, könnte eine Rakete wiederholt zwischen zwei Treibstoffdepots hin und her fliegen und denselben Treibstoff immer wieder verwenden.

Die Antwort muss mit einer Frage qualifiziert werden: Ist die Absicht, das Abgas direkt als Schub zu verwenden oder es als Brennstoff zu verwenden, um es zu verbrennen, um Schub zu erzeugen? Für ersteres würde es sich im Sammelprozess aufheben, indem es sich in die entgegengesetzte Richtung drängt, gegen sich selbst arbeitet. Wenn bei letzterem noch brennbarer Kraftstoff im Auspuff zurückbleibt, wäre dies zunächst ein Hinweis auf eine ineffiziente Motorkonstruktion, und das muss behandelt werden, um den Wirkungsgrad so nahe an 100 % zu bringen, wie es die Physik erlaubt. Was Ionenantriebe betrifft, so scheint jeder von Fission-Energie auszugehen, die nicht nur sehr instabil, sondern auch äußerst ineffizient ist. Bevor sie für den Einsatz entwickelt werden, ist es wahrscheinlicher, dass Fusionsenergie genutzt und zum Antrieb von Ionenantrieben verwendet wird. Denken Sie daran, Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, laufen auf Fusion...

Wenn Sie jemals auf eine chemische Lösung kommen, bei der das Wiederverbrennen von Abgasen wie eine gute Idee aussieht, bauen Sie diese nicht. Es wird nicht funktionieren, weil das Auffangen des Auspuffs den Kraftstoffverbrauch aufhebt. Es ist einfacher zu sehen, wenn man eher an Schwung als an Energie denkt. Sie müssen die Reaktionsmasse zurücklassen.

Wenn Sie andererseits die chemische Lösung finden, ist das Richtige zum Bauen eher wie ein Nachbrenner; den Kraftstoff zweimal im selben Motor verbrennen, ohne ihn aufzufangen; Mach einfach eine viel längere Motorglocke.

Nicht praktisch. Es gibt mehrere Probleme.

Erstens, was aus dem hinteren Ende einer Rakete kommt, ist meistens nicht einmal Treibstoff.

Zweitens besteht die große Treibstoffwolke, die Sie beim Start sehen, hauptsächlich aus Wasser, das verhindert, dass sich die Rakete mit ihren eigenen Schockwellen auseinanderreißt.

Zu guter Letzt, aber das Wichtigste, selbst wenn der Auspuff tatsächlich ein neuer Kraftstoff wäre, der bei kalten Temperaturen mit seinen Teilen verbrennt und viel mehr davon vorhanden wäre, wäre er immer noch nicht praktikabel. Es läuft alles auf eine Frage hinaus. Selbst wenn Sie Treibstoff fangen, wie wollen Sie diesen Treibstoff bekommen, sich schnell in die entgegengesetzte Richtung bewegen, aus der Sie sich bewegen, den ganzen Weg zurück, sie in Ihre Treibstoffkammern bringen, sie wieder verdichten und sicherstellen, dass es keinen Zugang gibt , bevor Sie endlich den Kraftstoff wiederverwenden können? Es braucht Energie, um den Kraftstoff zurückzubringen, es braucht Energie, um ihn zurück in die Kammern zu leiten, es braucht besonders Energie, um Ihren Kraftstoff wieder zu verflüssigen und sicherzustellen, dass nichts die Kraftstoffleitungen im Motor vollständig verstopft.

Alles in allem würde es mehr Energie kosten, als einfach mehr Treibstoff zu bringen, ganz zu schweigen davon, dass es Ihr Schiff verlangsamen würde, weil es dieses schwere Kabel und den Treibstoffsammler herumschleppen muss.

Das Abgas einer Flüssigwasserstoff-Flüssigsauerstoff-Rakete enthält viel unverbrannten Wasserstoff. Die stöchiometrische Mischung beträgt 8:1 nach Masse, aber solche Raketen laufen für einen maximalen spezifischen Impuls näher an 5:1. Der unverbrannte Wasserstoff fügt Schub hinzu, da er aufgrund seiner geringen Masse (im Vergleich zu Wasserdampf) mit sehr hoher Geschwindigkeit (hohem Impuls) austritt.

Es ist verlockend zu versuchen, den unverbrannten Wasserstoff auf irgendeine Weise zu nutzen, aber jeder Versuch, den zusätzlichen Sauerstoff mitzubringen, ist zum Scheitern verurteilt, sowohl wegen der Notwendigkeit, diesen zusätzlichen Sauerstoff zu transportieren, als auch wegen der Notwendigkeit, seine Geschwindigkeit irgendwie an den unverbrannten Wasserstoff anzupassen der Auspuff. Ich vermute, dass dies auch für eine Art Nachbrenner- oder Staustrahlkonzept gilt, das auf den ersten Flugkilometern atmosphärischen Sauerstoff verwendet.

Bedenken Sie im Bereich des theoretisch Möglichen, aber absolut Unpraktischen, dass Magnetfelder im Weltraum allgegenwärtig sind. Geladene Partikel als Motorabgas folgen spiralförmigen Bahnen. Platzieren Sie Ihren Kollektor an einem Punkt, an dem der Auspuff einen halben Schraubenzyklus durchlaufen hat. Dadurch wird ein Impuls auf das Magnetfeld übertragen, wodurch Schub entsteht, ohne Reaktionsmasse zu verbrauchen.