Быстрое разделение воды для превращения водяной ракеты в ракету H/O при запуске: может ли это сработать?

Для этого вам понадобится ядерный реактор, потому что процесс диссоциации воды на составляющие водород и кислород потребляет огромное количество энергии, а для этапа всплытия вам также потребуется очень высокая плотность энергии, чтобы обеспечить достаточную тягу.

Прямая анодно-катодная система, как вы описываете (т.е. электролиз ), расточительна, если вам не требуется разделение произведенного водорода и кислорода для последующего хранения, и все, что вам нужно, это большое расширение, которое обеспечивает пар, поэтому гораздо проще просто перегреть реакционную массу. до температуры его диссоциации, а затем вытеснить его под большим давлением. Поскольку электролиз воды очень энергозатратен, большая часть промышленного водорода фактически производится путем преобразования природного газа .

Итак, в основном, лучшее решение того, о чем вы спрашиваете, называется ядерной тепловой ракетой , и при работе непосредственно с водородом предпочтительнее (просто из-за$E_\text{k} =\tfrac{1}{2} mv^2$ продукты выхлопа с малой молекулярной массой предпочтительнее, если существует линейная зависимость между их массой и плотностью накопленной или поглощенной энергии, которая впоследствии может быть преобразована в кинетическую энергию продуктов выхлопа), высокая температура выхлопа, которую они производят, часто требует смешивания реакционной массы с водой для уменьшить его.

Продукты выхлопа NTR, диссоциированные при нагревании, также обеспечивают примерно в два раза больший удельный импульс ($I_\text{sp} \approx 800-900 \text{ s}$, в зависимости от температуры выхлопа, но она может быть намного выше , скажем, с металлическим водородом , если вы можете как-то его производить) рекомбинации кислорода и водорода в водяной пар в криогенных химических ракетах LOX/LH2 ($I_\text{sp} \approx 450 \text{ s}$).

На орбите можно было бы отказаться от ядерного реактора и использовать солнечную тепловую двигательную установку , но вы, вероятно, захотите сделать ее двигательной установкой с лучевым питанием и отделить источник энергии от ракеты, чтобы уменьшить ее массу. 

Сначала посмотрим, сколько энергии потребуется для электролиза:
молекулярная масса воды составляет 18,01528 г/моль, поэтому 1 кг воды составляет 55,55 моль. Вам нужно 286 кДж/моль энергии, чтобы расщепить воду. 55x286=15,8 МДж на 1 кг воды.
15,8 МДж = 15,8 МВт.с = 4,4 кВтч энергии. Если вы хотите разделить воду за 1 секунду, вам потребуется 15,8 МВт электроэнергии.
Предполагая 200$\Omega$сопротивление между катодом и анодом, что соответствует 56 кВ при 280 А. Обычные электролизеры работают при напряжении чуть более 1,5 В. При таких напряжениях между анодом и катодом может возникнуть искрение.
Поскольку вы не разделили кислород и водород, любые пузырьки газа, соприкасающиеся с дугой, взорвутся.
Кроме того, анод и катод будут нагреваться (на самом деле вам понадобятся большие тяжелые электроды, чтобы они не испарялись при таком большом токе), и часть вашей воды испарится. Это препятствует электролизу: вода должна находиться в контакте с электродами, чтобы произошел электролиз.
Так что это гонка между процессом электролиза, с одной стороны, и взрывами и образованием пара, с другой.
Наконец происходит что-то странноекогда вы пропускаете через воду большой ток:

Однако, как только максимальное отклонение напряжения для воды превышено и диэлектрический эффект нарушается, происходит что-то странное: разряд перестает быть электролитическим (поскольку молекулы больше не могут двигаться к электродам со скоростью, определяемой током), и сопротивление резко падает. одновременно, позволяя массивным потокам проходить через него. Когда это происходит, наблюдается яркая вспышка света, и часть воды в образце распыляется (распыление здесь используется для описания перехода из жидкого состояния в газообразное, которое не требует нагрева, например, в ультразвуковых распылителях воды) после очень громкий отчет и мощная ударная волна, проходящая через жидкость.

Ключевым пределом физики является сохранение энергии. Если вы разделите воду на водород и кислород, а затем позволите им «сгореть», чтобы снова соединиться в воду, вы не сможете получить энергию от этого процесса. Единственная энергия, которую вы добавляете в систему, — это та, которая на самом деле превращается в отработанное тепло. Соответственно, с электролизом здесь ничего не сделаешь, чего нельзя было бы сделать с простым ТЭНом, чтобы вскипятить воду рядом.

В качестве альтернативы, если бы у вас на борту был бесплатный источник электроэнергии мощностью в несколько мегаватт, который не стоил бы вам веса, и все его топливо также не имело бы веса, вы могли бы получить довольно много энергии от пара высокого давления с гигантским нагревом. элемент.

Тьфу, очередной сиквел в «Водород! Водород!!!» серия фантастических фильмов.

Непрофессионалы сильно недооценивают энергию, необходимую для расщепления воды — они просто видят «H2O» и предполагают «два атома водорода! ДВА!!!" Кислород является наиболее электроотрицательным элементом из распространенных, он действительно хочет получить эти атомы водорода, но не хочет лизироваться. И если вам нужно удалить один H, гидроксильный радикал еще хуже . Это противоположно тому, что вы действительно хотите: в идеале вы должны быть нестехиометрическими, потому что водород легче и приводит к более высокой характеристической скорости (т. е. Isp). Вам нужно что-то вроде H2.1O или H2.2O, а не OH.

Но предположим, что каким-то чудом у вас действительно есть свободная энергия. Много свободной энергии. Мы по-прежнему можем провести A/B-тестирование воды по сравнению с другими пропеллентами, включая водные растворы. Некоторые растворы солей (не помню сразу) могут обеспечить лучшие электрические свойства. Затем вы проводите A/B-тестирование одного солевого раствора по сравнению с другой концентрацией и обнаруживаете… сначала вам нужна соль, а затем все меньше и меньше воды. Если на то пошло, метанол имеет четыре атома водорода, лучше справляется с замораживанием / кипением (эффект антифриза - аналогичен жидкости для ветрового стекла), и вы оставляете остаточный CO вместо CO2 - опять же, более легкий выхлоп, более высокая скорость, следовательно, более высокий Isp.

Есть причина, по которой SpaceX и ULA перешли на CH4, а не на H2… и когда Ariane 5 должна была пройти модернизацию среднего возраста, они добавили более плотный O2 и сократили водород EPC. Это был бы мой короткий ответ: «вырезать водород».