Wie plant SpaceX auf der Reise zum Mars mit Boiloff umzugehen?

Dies ist eine wirklich gute Frage und die Antwort ist wahrscheinlich nicht zu 100% bekannt, selbst von SpaceX im Moment.

Zweifellos verfügen sie über eine aktive Kühlung, um das Abkochen zu minimieren.

Strukturell gibt es Tricks, die sie spielen können. Beispielsweise wird der Landetreibstoff in einem kleineren Tank gelagert, der in den Haupttank eingetaucht ist. Dadurch wird die Aufwärmfläche stark reduziert.

Sie können das in diesem Bild aus dem ITS-Design 2017 sehen:

In dem Abschnitt mit der Bezeichnung Treibmitteltanks befindet sich ein kleinerer Satz von Tanks im Inneren.

Anstelle einer kleinen Menge Kraftstoff am Boden des Tanks (oder vielleicht während des Transports überall darüber schwimmend) haben sie eine kleine Menge Kraftstoff in einem kleinen Tank in einem anderen Tank, der durch den Kraftstoff / das Oxidationsmittel gekühlt wurde dort vorher (plus alle übrig gebliebenen).

Ich gehe davon aus, dass wir aus diesem und vielen anderen Gründen vor dem Erstflug viele Änderungen am Design sehen werden.

Ich denke, der wichtigste Faktor zur Vermeidung von Abkochen ist der Verzicht auf Wasserstoff.

Die atmosphärischen Siedepunkte der gewählten Treibmittel sind wie folgt:

Der Weltraum ist ein Ort extremer Temperaturen: in der Sonne röstend, aber im Schatten ziemlich kalt. Wikipedia gibt eine minimale (vermutlich nächtliche) Temperatur am Mondäquator von 100 K und 35 K in einigen Polarkratern an. Diese Temperaturangaben deuten darauf hin, dass es theoretisch möglich sein sollte, ein unbemanntes Raumschiff mit einem einfachen Sonnenschutz auf etwa 100 K zu halten , was es ermöglichen würde, Methan bei leicht unter dem Erdatmosphärendruck und Sauerstoff bei leicht über dem Erdatmosphärendruck unbegrenzt flüssig zu halten.

Wasserstoff gilt traditionell als der beste Kraftstoff für die Oberstufe, obwohl er aufgrund seiner geringen Dichte große Tanks erfordert, da er einen außergewöhnlichen spezifischen Impuls erzielt. Es wäre einfacher gewesen, Wasserstoff als Treibmittel auf dem Mars zu erzeugen, da nur ein Wasserelektrolyseur ohne den zusätzlichen Schritt des Sabatier-Prozesses zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan erforderlich wäre. Aber nachdem SpaceX in den frühesten Phasen der Entwicklung von Raptor-Motoren kurz über Wasserstoff nachgedacht hatte, gab er es schnell auf, und ich vermute, dass das Hauptanliegen das Abkochen bei Langzeitmissionen war.

Abgesehen von der Entscheidung, keinen Wasserstoff zu verwenden, bezweifle ich, dass SpaceX bisher viel über das Problem der Vermeidung von Boiloff bei Marsmissionen nachgedacht hat. Während die obigen Abbildungen zeigen, dass es theoretisch möglich ist, die gewählten Treibmittel ohne ein aktives System flüssig zu halten, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, und ich glaube, dass einige aktive Systeme erforderlich sein werden. Ein vollständig passives System würde wahrscheinlich erfordern, dass das Schiff direkt auf die Sonne zu oder von ihr weg zeigt, um den Sonnenschutz auf einem Durchmesser von 9 m zu halten, und das kann nicht akzeptabel sein. Außerdem muss der Mannschaftsbereich erheblich wärmer sein als die Treibmitteltanks, und etwas Wärme kann durchdringen. Wie Geoffc in seiner Antwort bemerkt hat,

Beachten Sie, dass das James-Webb-Weltraumteleskop in einer Halo-Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt Erde-Sonne positioniert sein und eine Temperatur von 50 K aufrechterhalten wird, anscheinend nur durch die Verwendung eines passiven Sonnenschutzes.

Flüssigkeiten sieden, wenn ihr Dampfdruck den Umgebungsdruck übersteigt. Die Struktur der Starship-Tanks begrenzt den Umgebungsdruck auf 6 bar. Um ein Sieden zu verhindern, müssen Sie daher auf unter -170 °C (für O ₂ ) und -145 °C (für Methan) kühlen.

Wenn Starship im Erdorbit betankt wird, kann der Treibstoff unterkühlt werden, aber nicht unter -182 °C, da dies der Gefrierpunkt von Methan ist. Um ein Abkochen zu verhindern, muss Methan für die Dauer der Reise zwischen -182 °C und -145 °C gehalten werden. Die äquivalenten Zahlen für O ₂ sind -219 °C und -170 °C. Wenn sich die beiden Tanks im thermischen Gleichgewicht befinden, beträgt der Bereich -182 °C bis -170 °C, um beide flüssig zu halten.

Werden sich Tanks auf einer Marsreise erhitzen oder abkühlen, wenn sie nicht reguliert werden? Brylle Reyes hat in https://www.academia.edu/934756/Thermal_Control_Handbook ein interessantes Konzept: eine standardmäßige 1-m-Schwarzkörperkugel mit Absorptionsgrad = 1,0 im thermischen Gleichgewicht mit dem Weltraum. Wenn die Kugel 1 AE von der Sonne entfernt ist, beträgt die Gleichgewichtstemperatur +6 °C. In Marsentfernung beträgt die Temperatur -47 °C. Es überrascht nicht, dass diese Temperaturen nahe an den entsprechenden durchschnittlichen Planetentemperaturen liegen.

Wenn wir also Starship mit BBQ-Farbe besprühen und es mit einer Achse senkrecht zur Ekliptik drehen, würde sich seine Temperatur diesen Gleichgewichtstemperaturen annähern. Während der gesamten Reise würde die Hauttemperatur sinken, aber die Tanktemperatur würde steigen . Das schwarze BBQ-Raumschiff muss gekühlt werden, um die Tanktemperaturen in der „Goldlöckchen-Zone“ aufrechtzuerhalten.

Natürlich ist Starship nicht BBQ-Schwarz. Der Hitzeschild hat ein hohes Absorptionsvermögen und ist hochisolierend. Die glänzende Seite hat ein geringeres Absorptionsvermögen, ist jedoch nicht isoliert. Es ist wie ein Schlafsack mit einer Seite aus einer Raumdecke und der anderen Seite aus schwarzem, flauschigem Lammfleece. Legen Sie sich in einer sehr kalten Nacht zu nahe an ein heißes Lagerfeuer, und Sie befinden sich in demselben Dilemma wie Starship. Wenn Sie die isolierte Seite zum Feuer rollen, schützt Sie die Isolierung vor Überhitzung und Sie werden Ihre Brötchen auf der anderen Seite einfrieren. Drehen Sie sich um, und Sie werden sich wieder aufwärmen.

Dies ist wahrscheinlich das, was Starship tun wird: Verwenden Sie die Lageregelung für die passive Thermoregulierung, um die Tanktemperaturen in der Goldilocks-Zone aufrechtzuerhalten.

Es gibt andere Tricks: Für schwarze Körper, Absorptionsgrad = Emissionsgrad = 1,0 bei allen Temperaturen. Reale Materialien haben unterschiedliche Emissionsgrade bei unterschiedlichen Temperaturen. Dieses Diagramm zeigt Emissionsgradprofile für polierten SA508-Stahl und mit 3 verschiedenen Oxidationsbehandlungen. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017325802

Sonnenkollektoren können auch als Sonnenschutz dienen. Das Drehen der Nase in Richtung Sonne kann die Nutzlast erwärmen, während die Tanks beschattet werden.

Wenn eine aktive Kühlung erforderlich ist, kann flüssiges CH ₄ oder O ₂ durch einen Kühler auf der schattierten Seite zirkuliert werden, wo es in den Hohlraum strahlen kann, wobei versucht wird, sich mit der Mikrowellen-Hintergrundtemperatur auszugleichen. Wenn Starship mit der Nase zur Sonne gedreht würde, könnte Methan als Heizkörper durch die Glocken der Raptors gepumpt werden. Der Tankinhalt könnte gekühlt werden, während die Nutzlast am anderen Ende von Starship in der Sonne erwärmt wird.