Kanapowy Inżynier 3 - paliwa rakietowe

Wysyłanie rzeczy w kosmos jest trudne i drogie. Liczy się każdy kilogram. Jeśli chcemy realnie myśleć o kosmicznym przemyśle, podboju, badaniach na dużą, to ogromnym ułatwieniem będzie wykorzystywanie surowców, które już tam są. A jedną z pierwszych rzeczy, która ułatwiłaby hasanie po układzie słonecznym, byłaby możliwość tankowania rakiet na na orbicie, Księżycu lub jakiejś pobliskiej asteroidzie. Lecąc na poza orbitę Ziemi znaczną większość paliwa zużyjemy przebywając pierwszych ~300 kilometrów. Przebycie kolejnych 380 000 km do Księżyca, czy milionów kilometrów do Marsa, to niemal pestka jak już tylko jesteśmy na orbicie. No ale musimy się tam dostać. I wtaszczyć tam paliwo na resztę wycieczki.

Woda to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny we wszechświecie. Wodór i tlen to odpowiednio pierwszy i trzeci, co do zarówno masy jak i liczebności pierwiastek, więc nic dziwnego, że była masa okazji by atomy tlenu łapały sobie po dwa atomy wodoru. Tak się składa, że takie połączenie (czyli po prostu spalanie, utlenianie wodoru) wydziela masę energii. Dlatego wodór jest jednym z trzech popularnych typów ciekłego paliwa rakietowego. Innymi słowy, we wszechświecie jest pełno paliwa rakietowego, które zalega sobie razem ze swoim utleniaczem na planetach, asteroidach, pierścieniach i obłokach kosmicznych. To prawie tak jakby drewno albo liście i trawa były idealnym paliwem samochodowym. Moglibyśmy sobie jeździć po świecie i tankować na większości poboczy po prostu zrywając trawę. Wiadomo, trzeba się trochę pomęczyć, ale nie trzeba pakować ze sobą tylu ton paliwa, że samochód nie byłby w stanie ruszyć z miejsca.

Naturalnie zatem może się wydawać, że paliwem przyszłości (jeśli idzie o rakiety) powinna być mieszanka wodoru i tlenu. To dość popularny motyw w SF, które nie ucieka się do silników napędzanych technobełkotem. Dlatego od lat moją wyobraźnię rozpalała wizja Księżyca jako bazy wypadowej w głęboki kosmos - bo wiemy, że w kraterach do których nie dociera Słońce i pod powierzchnią może być dość lodu by odwiedzić cały układ słoneczny. Wreszcie koniec z poleganiem na wieloletnich asystach grawitacyjnych, wyciskaniem każdego ułamka prędkości z korzystnych układów ciał niebieskich. Marzyłem o holowaniu komet na orbitę Ziemi, by ich lód rozbijany na wodór i tlen przy użyciu energii słonecznej napędzał eksplorację planet i księżyców.

Czemu zatem SpaceX postawił na metan w swoim silniku Raptor? W ten sposób skazuje Starshipa, na paliwo tego typu. Czy Elon Musk jest tak zafiksowany na bogatym w dwutlenek węgla Marsie (co umożliwi produkcję metanu na miejscu), że postanowił olać wszystkie inne cele? Niezupełnie. Okazuje się, że metan ma wiele zalet a wodór brzmi ładnie kiedy zapiszemy sobie 2H₂ + O₂ => 2H₂O + dużo rakietowej radości, gorzej jeśli wejdziemy trochę głębiej…

Współcześnie, wśród rakiet napędzanych paliwem ciekłym mamy w zasadzie trzech graczy. RP-1 (od Rocket Propellant-1 lub Refined Petroleum-1), czyli wysoce rafinowaną naftę, wypasioną wersję paliwa lotniczego. Drugim jest ciekły metan, a trzecim ciekły wodór. Przyjrzymy się im w różnych ujęciach. W tym miejscu ważna informacja - tekst oparłem w znacznej mierze na absolutnie świetnym, godzinnym filmie Everyday Astronaut “Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?”. Jeśli bariera językowa nie jest problemem i wolicie ruchome obrazki (plus świetne wizualizacje), to nie marnujcie czasu tutaj i idźcie od razu tam. Porównanie paliw jest tylko częścią jego materiału. Wartości które będą się przewijać są wyidealizowane lub uśrednione i mogą się różnić dla poszczególnych praktycznych silników.

Wydajność i produkty spalania
Duża ilość energii wydzielana przy spalaniu wodoru jest jego ogromną zaletą. Wypada świetnie na tle konkurencji. Do mierzenia wydajności w przypadku rakiet stosuje się miarę tak zwanego impulsu właściwego, który mierzy przyrost pędu rakiety dzięki zużyciu jednostki masy paliwa. Matematyka jednostek sprawia, że wartość ta jest mierzona w sekundach:
RP-1    370s
Metan   459s
Wodór   523s

Widać tu wyraźną przewagę wodoru. Ponadto produktem spalania wodoru i tlenu jest… para wodna. Jest to bardzo ważne, bo jeśli chcemy poważnie podchodzić do latania w kosmos, to silniki i rakiety muszą być wielokrotnego użytku. Para wodna nie jest specjalnie groźna dla hydrauliki silnika. Natomiast nafta, mieszanina węglowodorów w czasie spalania w wysokiej temperaturze wytwarza parę wodną, dwutlenek węgla i bardziej złożone związki węgla, czyli w uproszczeniu sadzę, która lubi się osadzać w różnych miejscach i nie robi dobrze silnikowi. Taki oklejony, upaćkany silnik wymaga czyszczenia lub napraw. Metan praktycznie nie produkuje sadzy, jedynie dwutlenek węgla i parę, więc można powiedzieć, że idzie tu w parze z wodorem.

Temperatura spalania
Jest jeszcze jeden parametr w którym wodór wysuwa się na prowadzenie. Jest to temperatura spalania. Niższa temperatura spalania generalnie zapewnia większą żywotność silnika. RP-1 spala się w temperaturze ok 3670°K, podobnie jak metan dla którego jest to 3550°K, natomiast wodór spala się w temperaturze “zaledwie” 3070°K.

Gęstość
Niska gęstość oznacza, że ta sama masa paliwa mieści się w większej objętości, co z kolei oznacza większy zbiornik paliwa. Większy czyli cięższy. A każdy kilogram w drodze w kosmos jest bezcenny. Wodór ma gęstość ponad jedenastokrotnie mniejszą od RP-1 i sześciokrotnie mniejszą od metanu. Trzeba też uwzględnić, że stosunek tlenu do poszczególnych paliw jest różny. Gram RP-1 najlepiej spala się z 2,7 grama tlenu, gram metanu spala się z 3,7 grama tlenu a wodór spala się z aż sześcioma gramami tlenu. Jeśli uwzględnimy oba parametry możemy zobaczyć jak wygląda stosunek wielkości zbiorników z tlenem do zbiorników z paliwem.

Gęstość [g/L]  Tlen:Paliwo     Tlen:Paliwo
              [stosunek masy] [stosunek objętości]
RP-1    813    2,7 : 1         1 : 0,52
Metan   422    3,7 : 1         1 : 0,73
Wodór    70    6 : 1           1 : 2,7

Metan i RP-1 wypadają dość podobnie, wodór… nie. Ale wielkie zbiorniki to tylko jeden z problemów jakie wiążą się ze stosowaniem wodoru. Drobniutkie molekuły wodoru są straszliwie trudne do utrzymania w ryzach. Wodór lubi przeciekać i przeciskać się przez każdą, najmniejszą szczelinę, co za tym idzie wymaga licznych i skomplikowanych uszczelek. A większa złożoność to większe koszty i dodatkowe elementy, które mogą zawieść.

Gęstość tlenu jest na tyle podobna do metanu i RP-1, że oba te rodzaje paliwa mogą być tłoczone do silnika z pomocą jednej turbopompy ze wspólnym wałem. W przypadku wodoru, potrzebna jest osobna turbopompa, znacznie większa i bardziej skomplikowana. (Ta notka jest i tak zbyt długa, żeby pisać o turbopompach i preburnerach więc przyjmijmy, że to dodatkowe elementy silnika, potrzebne by w odpowiedni sposób doprowadzać tlen i paliwo do komory spalania.) Czyli walczymy z przeciekami, które mogą doprowadzić do zapłonu mieszanki nie tam gdzie trzeba. Dodajemy kolejne układy, zabezpieczenia, komplikacje, których można uniknąć w silnikach napędzanych metanem lub RP-1.

Punkt wrzenia
Mówimy dzisiaj o rakietach napędzanych paliwami ciekłymi. Tak się składa, że stan ciekły jest czymś “oczywistym” tylko w jednym przypadku i jest to RP-1. Jego temperatura wrzenia wynosi bowiem 216 stopni Celsjusza. W przypadku metanu trzeba go utrzymywać w temperaturze około -162°C. To jednak nic w porównaniu z wodorem, który trzeba schładzać poniżej -250°C…

Wodór po schłodzeniu trzeba też utrzymywać w niskiej temperaturze, jeśli zacznie się gotować może rozsadzić zbiornik. Czyli potrzeba izolacji - kolejna komplikacja, kolejny ciężar. Tymczasem temperatura ciekłego tlenu i ciekłego metanu są na tyle zbliżone, że można używać wspólnej przegrody między zbiornikami. Pisałem o tym już tutaj. W Starshipie ciekły metan znajduje się nad zbiornikiem z tlenem. Metan na górze przy -180°C jest na granicy zamarzania, natomiast ciekły tlen poniżej przy -180°C jest na granicy wrzenia. Nad ciekłym tlenem formuje się warstwa gazowego tlenu, która działa jak dodatkowa izolacja.

Często mówi się próżni jako o czymś bardzo zimnym, ale to pewne uproszczenie. Próżnia jest przede wszystkim stosunkowo… pusta. A co za tym idzie, nie lada wyzwaniem w kosmonautyce jest pozbywanie się ciepła w przestrzeni kosmicznej. Ludzie, elektronika, powierzchnie oświetlone przez Słońce - wszystko to jest źródłem ciepła, któremu trudno jest gdzieś uciec. Dlatego nawet jeśli myślimy o kosmosie jako o miejscu mroźnym, utrzymanie wodoru w stanie ciekłym na orbicie może być trudne. Żeby nie było - z metanem też nie będzie lekko.


Podsumowując, to okrutnie uproszczone zestawienie… wodór jest bardzo kuszący, na pierwszy rzut oka. W kontekście współczesnej technologii nie wygląda już tak różowo. Ale to tylko rozważania kanapowego inżyniera (dosłownie tak się złożyło, że pisząc ten konkretny tekst siedzę na kanapie, a nie przy biurku). Możliwe, że przyszłość lub bardziej wnikliwe umysły sprawią, że to wodór przejmie prym. Nie będę narzekał, jeśli opracowane zostaną metody sprawnego pozyskiwania, przechowywania i wykorzystywania wodoru i tlenu. Szczególnie jeśli otworzy to przed nami układ słoneczny. Na ten moment jednak wydaje się, że decyzja SpaceX jest bardzo racjonalna, a osiągi ich silnika Raptor są naprawdę imponujące. A Raptory są wciąż ulepszane i rozwijane.