Wasser schnell spalten, um eine Wasserrakete beim Start in eine H/O-Rakete zu verwandeln: Könnte das funktionieren?

Dafür braucht man einen Kernreaktor, denn der Prozess der Dissoziation von Wasser in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht Unmengen an Energie und für eine Aufstiegsstufe braucht man auch eine sehr hohe Energiedichte, um ausreichend Schub zu liefern.

Ein direktes Anoden- / Kathodensystem, wie Sie es beschreiben (dh Elektrolyse ), ist verschwenderisch, wenn Sie keine Trennung von produziertem Wasserstoff und Sauerstoff für die spätere Lagerung benötigen und Sie nur eine große Expansion wünschen, die der Dampf bietet. Daher ist es viel einfacher, die Reaktionsmasse nur zu überhitzen auf seine Dissoziationstemperatur gebracht und dann mit großem Druck ausgestoßen. Da die Elektrolyse von Wasser so energieaufwändig ist, wird der meiste industriell genutzte Wasserstoff tatsächlich durch Erdgasreformierung hergestellt .

Im Grunde genommen wird eine bessere Lösung für das, wonach Sie fragen, als Nuclear Thermal Rocket bezeichnet, und wenn Sie direkt mit Wasserstoff arbeiten, ist dies vorzuziehen (einfach wegen$E_\text{k} =\tfrac{1}{2} mv^2$ Abgasprodukte mit kleiner Molmasse werden bevorzugt, wenn eine lineare Beziehung zwischen ihrer Masse und ihrer gespeicherten oder absorbierten Energiedichte besteht, die später in kinetische Energie von Abgasprodukten umgewandelt werden kann). mach es kleiner.

Wärmegespaltene NTR-Abgasprodukte liefern ebenfalls etwa den doppelten spezifischen Impuls ($I_\text{sp} \approx 800-900 \text{ s}$, abhängig von der Abgastemperatur, aber es könnte viel höher gehen , sagen wir, mit metallischem Wasserstoff , wenn Sie ihn irgendwie herstellen können) der Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasserdampf in LOX / LH2-kryogenen chemischen Raketen ($I_\text{sp} \approx 450 \text{ s}$).

Im Orbit wäre es möglich, auf einen Kernreaktor zu verzichten und einen solarthermischen Antrieb zu verwenden , aber Sie möchten wahrscheinlich ein strahlbetriebenes Antriebssystem machen und Ihre Energiequelle von Ihrer Rakete trennen, um ihre Masse zu reduzieren. 

Zuerst schauen wir uns an, wie viel Energie du für die Elektrolyse benötigen würdest:
Wasser hat ein Molekulargewicht von 18,01528 g/mol, also sind 1 kg Wasser 55,55 mol. Um Wasser zu spalten benötigt man 286 kJ/mol Energie. 55x286=15,8 MJ für 1 kg Wasser.
15,8 MJ = 15,8 MW.s = 4,4 kWh Energie. Wollte man das Wasser in 1 Sekunde spalten, benötigt man 15,8 MW elektrische Leistung.
Angenommen 200$\Omega$Widerstand zwischen Kathode und Anode, das entspricht 56 ​​kV bei 280 A. Normale Elektrolysezellen arbeiten mit etwas über 1,5 V. Bei diesen Spannungen kommt es wahrscheinlich zu Lichtbögen zwischen Anode und Kathode.
Da Sie Sauerstoff und Wasserstoff nicht getrennt haben, explodieren alle Gasblasen, die mit dem Lichtbogen in Kontakt kommen.
Außerdem erwärmen sich die Anode und die Kathode (tatsächlich bräuchte man große, schwere Elektroden, damit sie bei so viel Strom nicht verdampfen), und ein Teil Ihres Wassers verdunstet. Dies hemmt die Elektrolyse: Wasser muss mit den Elektroden in Kontakt kommen, damit die Elektrolyse stattfinden kann.
Es ist also ein Rennen zwischen dem Elektrolyseprozess einerseits und den Explosionen samt Dampfbildung andererseits.
Schließlich passiert etwas SeltsamesWenn Sie eine große Strömung durch Wasser leiten:

Sobald jedoch der maximale Spannungsabstand für Wasser überschritten wird und der dielektrische Effekt zusammenbricht, passiert etwas Seltsames: Die Entladung hört auf, elektrolytisch zu sein (da sich die Moleküle nicht mehr mit der vom Strom vorgegebenen Geschwindigkeit zu den Elektroden bewegen können) und der Widerstand sinkt vollständig sofort, wodurch massive Ströme hindurchfließen können. Wenn dies auftritt, wird ein heller Lichtblitz beobachtet und ein Teil des Wassers in der Probe wird zerstäubt (Zerstäubung wird hier verwendet, um einen Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu beschreiben, der keine Erwärmung beinhaltet, wie z. B. in Ultraschall-Wasserzerstäubern). ein sehr lauter Knall und eine starke Stoßwelle, die sich durch die Flüssigkeit ausbreitet.

Eine wichtige physikalische Grenze ist die Energieerhaltung. Wenn Sie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten und sie dann "verbrennen" lassen, um sich wieder zu Wasser zu verbinden, können Sie unmöglich Energie aus dem Prozess gewinnen. Die einzige Energie, die Sie dem System hinzufügen, ist die, die tatsächlich in Abwärme umgewandelt wird. Dementsprechend könnte man hier mit der Elektrolyse nichts machen, was man nicht mit einem einfachen Heizelement machen könnte, um das Wasser in der Nähe zum Kochen zu bringen.

Wenn Sie alternativ eine kostenlose Multi-Megawatt-Stromversorgung an Bord hätten, die Sie kein Gewicht kostet und der gesamte Kraftstoff ebenfalls gewichtsfrei ist, können Sie möglicherweise ziemlich viel Strom durch Hochdruckdampf mit einer riesigen Heizung erhalten Element.

Ugh, eine weitere Fortsetzung im „Hydrogen! Wasserstoff!!!" Reihe von Fantasy-Filmen.

Die Laien unterschätzen die Energie, die zur Spaltung von Wasser erforderlich ist, bei weitem – sie sehen nur „H2O“ und nehmen „zwei Wasserstoffatome! ZWEI!!!" Sauerstoff ist das elektronegativste Element, das häufig vorkommt – es will wirklich diese Wasserstoffatome, will wirklich nicht lysieren. Und wenn Sie ein H abbekommen sollten, ist das Hydroxylradikal noch schlimmer . Dies ist das Gegenteil von dem, was Sie wirklich wollen: Idealerweise sollten Sie nicht stöchiometrisch sein, da Wasserstoff leichter ist und zu einer schnelleren charakteristischen Geschwindigkeit (dh Isp) führt. Sie wollen etwas wie H2.1O oder H2.2O, nicht OH.

Aber nehmen wir an, dass Sie durch ein Wunder freie Energie haben. Viel freie Energie. Wir können immer noch A/B-Tests mit Wasser im Vergleich zu anderen Treibmitteln, einschließlich Wasserlösungen, durchführen. Einige Salzlösungen (ich erinnere mich nicht aus dem Kopf) können bessere elektrische Eigenschaften bieten. Dann testest du eine Salzlösung A/B gegen eine andere Konzentration und findest heraus… du willst zuerst das Salz und immer weniger Wasser. In diesem Zusammenhang hat Methanol vier Wasserstoffatome, ein besseres Gefrier-/Kochen-Handling (Frostschutzeffekt – ähnlich wie bei Windschutzscheibenflüssigkeit) und Sie hinterlassen ein Rest-CO anstelle von CO2 – wiederum leichterer Auspuff, höhere Geschwindigkeit, daher höherer Isp.

Es gibt einen Grund, warum SpaceX und ULA zu CH4 gingen, nicht zu H2 … und als Ariane 5 für ein Midlife-Upgrade anstand, fügten sie dichteres O2 hinzu und schnitten den EPC-Wasserstoff ab. Was meine kurze Antwort wäre: „Wasserstoff abschneiden“.