Производство топлива на Марсе: почему бы не просто LH2/LOX вместо метана?

В этом классном видео презентации о вычислительной гидродинамике на основе графического процессора SpaceX в самом начале есть слайд о производстве ракетного топлива на Марсе, в частности, об использовании воды из земли и углекислого газа из атмосферы для производства кислорода и метана:

2H2O + CO2 -> CH4 + 2O2

Движение в этом направлении требует энергии, и я предполагаю, что солнечная энергия в той или иной форме, безусловно, будет одним из способов.

Но почему бы не сделать это проще («потому что это не так» — возможный ответ) и просто использовать солнечную фотоэлектрическую энергию и электролиз для получения LOX и LH2 из той же воды, что и выше:

2H2O  -> 2H2 + O2

Каковы существенные компромиссы здесь? Если на слайде показан метан, а в сопутствующем обсуждении речь идет о проблемах попытки сделать двигатель на метане, то почему не обсуждается LOX+LH2?

Метановое топливо SpaceX на Марсе

Ответы (3)

С жидким водородом трудно иметь дело. Температура должна быть 33 К или ниже. Жидкий кислород требует 90K, а жидкий метан аналогичен. Температурные требования гораздо меньше, как таковые. Поверхность Марса варьируется от 140К до 300К. Значения для хранения метана/кислорода намного ближе.

Для метана также требуется меньше водорода, чем для ракеты LH2/LOX. Предполагалось, что водород относительно трудно найти на Марсе.

Наконец, с жидким водородом очень трудно иметь дело, как упоминается в этой статье НАСА . Долгосрочное хранение вещества - это то, чего еще не удалось достичь.

Я почти уверен, что с помощью легкой изоляции и низкого давления поддерживать охлаждение жидких газов на Марсе намного проще, чем на Земле, поэтому аргументы, связанные с Землей, не могут быть применены напрямую. Кто-нибудь смотрел, насколько сложно хранить водород конкретно на Марсе? Ночью, например, у вас над головой есть гигантская холодная раковина. Это не опасно и не взрывоопасно (не так ли?) Хм... Водород реагирует с CO2?
На Луне или в космосе тяжело, я не понимаю, почему на Марсе используют совсем другое.
Поскольку « используя легкую изоляцию и низкое давление, поддерживать охлаждение жидких газов на Марсе намного проще, чем на Земле… » Тепловая нагрузка намного ниже, вакуумным насосам не нужно работать так тяжело. Тем не менее, водородное охрупчивание по-прежнему актуально, и есть то видео, где Илон Маск говорит, что водород — это глупо. Нет, он этого не говорил, я перефразирую.
Вот некоторые полезные основы водорода . Проблема орто/пара кажется тревожной.

Как кратко упоминалось в предыдущем ответе, с H 2 очень сложно иметь дело. Температура — это одно, но он не упомянул о чрезвычайно низкой плотности. Если я правильно помню, баки LH 2 на шаттле требуют примерно в 4-5 раз больше места, чем баки LOX, если не больше. Из-за объема и массы самого бака с ними очень трудно иметь дело, а добавление системы охлаждения для предотвращения выкипания топлива усугубляет эту проблему.

Метан, с другой стороны, очень плотный. То, что ему не хватает в производительности, более чем компенсируется сравнительно небольшим объемом резервуара. То, чего вашей ракете не хватает в ISP, она с лихвой компенсирует наличием большего количества топлива и меньшим собственным весом баков.

Редактировать: я забыл упомянуть, что электролиз воды в H 2 /O 2 требует очень большого количества электроэнергии. Реакция Сабатье (2H 2 O + CO 2 => CH 4 2O 2 ) значительно более энергоэффективна.

Таким образом, в дополнение к моим замечаниям о низкой плотности и высокой массе бака/системы поддержки, связанной с LH 2 , вам также потребуется значительная дополнительная масса силовой установки.

Спасибо! Можете ли вы помочь мне понять «значительно более эффективную» часть? Вы хотите сказать, что получить LH2 из H2O с помощью солнечного света можно только с помощью электролиза, а электролиз воды — неэффективный процесс? Но разделение той же воды для получения CH4 более эффективно?
Электролиз воды на H2 и O2 — это искусство пропускания через нее электрического тока, чтобы разрушить ее водородные связи. Много тока. Реакция Сабатье, с другой стороны, включает пропускание углекислого газа и воды над нагретым (несколько сотен градусов Цельсия) катализатором. Поскольку мы реагируем с молекулами, а не просто разрываем их на части, силы химии делают большую часть тяжелой работы за нас. Я только что вышел с работы и очень устал, поэтому прошу прощения за отсутствие цифр. Я просто пытаюсь поделиться тем, что могу вспомнить.
Нормальна ли реакция Сабатье CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O + энергия? Если да, то откуда берется весь Н2, если не использование энергии для расщепления воды? Если вы посмотрите пятиминутный отрывок видео Фейнмана «Удовольствие от выяснения вещей» или прочитаете книгу (сейчас у меня нет копии, чтобы проверить) между 07:00 и 12:00, он говорит это лучше, чем Я могу.
Это использование реакции для производства электроэнергии. Я говорю о вложении энергии в реакцию превращения H2O и CO2 в метан-кислород. Как ни странно, это называется реакцией сабатье, независимо от того, в каком направлении она движется.
В этом контексте кажется, что это процесс Сабатье, когда вы получаете водород из бутылки, или процесс Сабатье/электролиз (SE), если вы используете электролиз для получения водорода вместо того, чтобы заказывать его и заставлять кого-то доставлять его в вашу лабораторию. См.: Зубрин Р., Мускателло А. и Берггрен М. (2013). « Интегрированная система производства топлива Mars In Situ». J. Aerosp. англ., 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000201, 43-56. http://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29AS.1943-5525.0000201 .
Этот ответ указывает на то, что жидкий водород действительно имеет настолько низкую плотность, что некоторые гидриды металлов имеют вдвое большую плотность водорода, даже с другими элементами в соединении . Водород просто пушистый, если он не связан с другими элементами.

В дополнение к приведенным выше ответам, скорость убегания с поверхности Марса меньше половины скорости Земли, 5,0 вместо 11,2 км/с. Таким образом, высокий ISP LH2/LOX вряд ли нужен. Или, наоборот, низкий ISP CH4 является меньшей тратой фотоэлектрической энергии, чем это было бы на Земле.

Производство топлива на Марсе: почему бы не просто LH2/LOX вместо метана?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v