Considere este proceso de pensamiento:
De hecho, incluso he oído hablar de propuestas que utilizarían láseres terrestres para calentar hidrógeno, utilizado como masa de reacción del cohete. Tanto el láser térmico como el nuclear térmico utilizan una forma única de entrada de calor. No puedes simplemente abrir la parte inferior de un tanque de presión de gas y ponerlo en órbita, porque también está limitado por la velocidad térmica de las moléculas.
Pero eso no es muy convincente. ¿Por qué no podemos simplemente calentar? gas a la temperatura que habría obtenido del cohete térmico nuclear, luego cargar eso en un tanque / cohete y volar a la órbita?
Claro, pierde una gran cantidad de empuje a medida que el agotamiento del tanque reduce P y T. Y tiene mucha masa estructural de los (ahora) propulsores de cohetes presurizados. Pero la ventaja va de de la masa de reacción a . Es decir, hay casos válidos para termonucleares en los que eso justificaría el peso de un reactor nuclear entero . Después de todo, la principal razón de ingeniería por la que no los usamos es la pesadilla de la radiación.
Incluso en compilaciones muy fantasiosas de posibles tecnologías de cohetes, nunca he visto a nadie tocar este concepto. Poner gas hidrógeno caliente en un tanque de presión simplemente no parece tan difícil (está bien, hay amargura H, pero no permanecerá allí por mucho tiempo). Y al fin y al cabo, si el Hidrógeno que pones en el tanque tiene unas condiciones similares a las que tendría la salida de un cohete térmico nuclear, no es tan diferente . Solo puedo pensar en una cosa posible que podría matarlo, que es la masa estructural para la presurización. Podrías hacer ese cálculo, y mi apuesta sería que mantuviera la viabilidad.
¿Qué mantuvo esta línea de diseño fuera del discurso en la cohetería clásica? Probablemente sea una idea risible, pero con mi conocimiento no tengo forma de descartarla.
Lo encontré. La razón es por el peso del recipiente a presión. Mi intuición estaba equivocada en ese punto.
Suponga un tanque cilíndrico largo. El peso del tanque en sí es el siguiente.
La masa de gas en el tanque es la siguiente donde es la fórmula masa.
Combine estos dos para obtener la relación entre el peso de la gasolina y el peso del tanque.
Una de las mejores opciones de material estructural es la fibra de carbono. El valor de fuerza a peso para eso es:
Si asumo que el gas se mantiene a , entonces eso limita la idea a un patético impulso específico de . Esto es útil para un cálculo conservador. Si la relación de masa de tanque a gas no es buena para este valor, nunca será una idea competitiva.
El tanque pesaría 5 veces más que el propulsor que almacena. Esto es con las suposiciones más optimistas. Esto descarta la idea. Concluimos que esta idea es básicamente imposible porque es imposible hacer un material lo suficientemente liviano y lo suficientemente fuerte para llevarlo a cabo.
En realidad, para los gases, los números atómicos más altos son mejores que los números atómicos más bajos. Esta es la razón principal por la que el xenón es el gas de elección para las unidades de iones, es el gas no radiactivo elemental más masivo que existe. La razón detrás de esta lógica cae bajo la Ley de los Gases Ideales, . Esencialmente, a medida que sube la temperatura, también lo hace la presión. Sin embargo, a medida que aumenta el número atómico, la presión disminuye. Como la parte más importante de una nave espacial es el impulso, y el impulso es igual a la masa por la velocidad, básicamente desea la mayor cantidad de masa para su volumen. El hidrógeno líquido, sin embargo, se puede almacenar mucho más denso.
Bien, para su idea específica, ¿a qué presión necesitaría almacenarse el hidrógeno para que funcione? Bueno, la temperatura propuesta para los cohetes NTR es de alrededor de 3000k. Supongamos que también desea una densidad similar a la del hidrógeno líquido. Esa densidad, según google, es de 70,85 kg/m³. Bien, entonces tomemos esos números y conéctelos a la ley de los gases ideales, asumiendo un volumen de 1 m³. Eso da un total de 35425 moles de hidrógeno. Usando esta calculadora , eso proporcionaría una presión de 9514 atmósferas, que debería mantenerse a 3000K. No conozco ninguna sustancia que pueda contener tal presión que no pese una tonelada.
Solo por diversión, supongamos un gas súper denso, digamos, hexafluoruro de azufre . Voy a ignorar el hecho de que es casi seguro que esto se prohibirá debido a su potencial extremadamente alto de gases de efecto invernadero. Su número de masa atómica es 146, por lo que el número de moles por 1 m³, asumiendo la misma masa que el hidrógeno, sería 485,3. Poniéndolo en la misma calculadora, la presión sería de 130 atmósferas, que es manejable, pero probablemente no a temperaturas tan altas.
En resumidas cuentas, almacenar sustancias a alta temperatura y alta presión es prácticamente imposible con la tecnología actual. Tal vez en algún momento en el futuro a alguien se le ocurrirá una mejor manera de hacer que esto suceda, pero por ahora, no contaría con eso.
De hecho, tenía esa idea dando vueltas en mi cabeza hasta que me molesté en hacer los cálculos. Los materiales tienden a perder resistencia a temperaturas más altas hasta el punto de que solo unos pocos materiales son remotamente útiles por encima de unos pocos cientos de C. Por lo tanto, cualquier energía obtenida del H2 más caliente se perdería por las paredes mucho más gruesas y, por lo tanto, por el peso de las paredes del tanque de combustible. . El concepto es algo viable a algo parecido a la temperatura ambiente, ya que entonces la densidad de energía del H2 sería mayor, pero habría materiales que pueden manejar las presiones locas de más de 1000 atm (todavía mucho más gruesas y pesadas de lo habitual) necesarias para obtener una densidad volumétrica decente. El concepto sería viable si se construye un cohete masivo que aproveche mejor la ley del cubo cuadrado.
Nicolás Bolas
AlanSE
ikrasa
SF.