Fabricación de propulsores en Marte: ¿Por qué no solo LH2/LOX en lugar de metano?

En este genial video de una presentación sobre la dinámica de fluidos computacional basada en GPU de SpaceX, hay una diapositiva al principio sobre cómo hacer combustible para cohetes en Marte, específicamente usando agua del suelo y dióxido de carbono de la atmósfera para producir oxígeno y metano:

2H2O + CO2 -> CH4 + 2O2

Ir en esa dirección requiere energía, y supongo que la energía solar de una forma u otra sería sin duda una forma.

Pero, ¿por qué no simplificar las cosas ("porque no lo es" es una respuesta posible) y simplemente usar la energía solar fotovoltaica y la electrólisis para producir LOX y LH2 a partir de la misma agua utilizada anteriormente?

2H2O  -> 2H2 + O2

¿Cuáles son las compensaciones más destacadas aquí? Si la diapositiva muestra el metano y la discusión que la acompaña habla de los problemas de tratar de hacer un motor de metano, ¿por qué no se discute LOX + LH2?

Combustible de metano de SpaceX en Marte

Respuestas (3)

El hidrógeno líquido es difícil de tratar. La temperatura debe ser de 33 K o inferior. El oxígeno líquido requiere 90 K y el metano líquido es similar. Los requisitos de temperatura son mucho menores como tales. La superficie de Marte varía entre 140K y 300K. Los valores para almacenar Metano/Oxígeno son mucho más cercanos.

El metano también requiere menos hidrógeno que el cohete LH2/LOX. Se ha asumido que el hidrógeno es relativamente difícil de encontrar en Marte.

Por último, el hidrógeno líquido es muy difícil de manejar, como se menciona en este artículo de la NASA . El almacenamiento a largo plazo de la sustancia es algo que aún no se ha logrado.

Estoy bastante seguro de que usando un aislamiento de peso ligero y baja presión, mantener fríos los gases líquidos en Marte es mucho más fácil que en la Tierra, por lo que los argumentos vinculados a la Tierra no se pueden aplicar directamente. ¿Alguien ha mirado qué tan difícil es almacenar hidrógeno en Marte específicamente? Por la noche, por ejemplo, tienes un fregadero frío gigante sobre tu cabeza. No es peligroso ni explosivo (¿o sí?) Hmm... ¿El hidrógeno reacciona con el CO2?
Es difícil en la Luna o en el espacio, no veo por qué en Marte se usa de manera muy diferente.
Debido a que " usando un aislamiento de peso ligero y baja presión, mantener fríos los gases líquidos en Marte es mucho más fácil que en la Tierra... " La carga térmica es mucho menor, las bombas de vacío no necesitan trabajar tan duro. Sin embargo, la fragilización por hidrógeno sigue siendo un problema, y ​​existe ese video en el que Elon Musk dice que el hidrógeno es estúpido. No, no dijo eso, estoy parafraseando.
Aquí hay algunos fundamentos prácticos del hidrógeno . El tema orto/para parece preocupante.

Como se mencionó brevemente en la respuesta anterior, H 2 es muy difícil de manejar. La temperatura es una cosa, pero lo que no mencionó fue su densidad extremadamente baja. Si mal no recuerdo, los tanques LH 2 en el transbordador requieren alrededor de 4-5 veces el espacio de sus tanques LOX, si no más. El volumen y la masa del tanque en sí hacen que sean muy difíciles de manejar, y agregar un sistema de enfriamiento para evitar que el combustible se evapore hace que el problema sea aún mayor.

El metano, por otro lado, es muy denso. Lo que le falta en rendimiento lo compensa con creces al requerir un volumen de tanque comparativamente pequeño. Lo que le falta a su cohete en ISP lo compensará con creces al tener más propulsor y menos peso muerto de los tanques.

Editar: olvidé mencionar que electrolizar agua en H 2 /O 2 requiere grandes cantidades de energía eléctrica. La reacción de Sabatier (2H 2 O + CO 2 => CH 4 2O 2 ) es mucho más eficiente energéticamente.

Entonces, además de mis puntos sobre la baja densidad y la alta masa del sistema de soporte/tanque involucrada con LH 2 , también necesitaría una masa significativa adicional del motor.

¡Gracias! ¿Me pueden ayudar a entender la parte "mucho más eficiente"? ¿Está diciendo que obtener LH2 a partir de H2O utilizando la luz solar solo se puede hacer con electrólisis y que la electrólisis del agua es un proceso ineficiente? ¿Pero dividir la misma agua para hacer CH4 es más eficiente?
Electrolizar agua en H2 y O2 es el arte de descargar corriente eléctrica a través de ella para romper sus enlaces de hidrógeno. Mucha corriente. La reacción de Sabatier, por otro lado, implica pasar dióxido de carbono y agua sobre un catalizador calentado (unos pocos cientos de grados C). Dado que estamos reaccionando moléculas en lugar de simplemente separarlas, las fuerzas de la química hacen la mayor parte del trabajo pesado por nosotros. Acabo de salir del trabajo y estoy muy cansada, así que pido disculpas por la falta de cifras. Sólo estoy tratando de compartir lo que puedo recordar.
OK, ¿la reacción de Sabatier es CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O + energía? Si es así, ¿de dónde viene todo el H2, sino del uso de energía para dividir el agua? Si ve la sección de cinco minutos del video "El placer de descubrir cosas" de Feynman, o lee el libro (no tengo una copia en este momento para verificar) entre las 07:00 y las 12:00, lo dice mejor que Puedo.
Eso es usar la reacción para generar energía. Estoy hablando de poner energía en la reacción para convertir H2O y CO2 en oxígeno metano. De manera bastante confusa, se llama reacción sabatier, independientemente de la dirección en la que se encuentre.
En este contexto, parece llamarse el proceso Sabatier cuando obtiene hidrógeno de una botella, o el proceso Sabatier/Electrólisis (SE) si utiliza la electrólisis para obtener hidrógeno en lugar de pedirlo y que alguien lo entregue a su laboratorio. Véase: Zubrin, R., Muscatello, A. y Berggren, M. (2013). " Sistema integrado de producción de propelente in situ de Marte ". J. Aerosp. Ing., 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000201, 43-56. http://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29AS.1943-5525.0000201 .
Esta respuesta señala que el hidrógeno líquido tiene una densidad tan baja que algunos hidruros metálicos tienen el doble de densidad de hidrógeno, incluso con los otros elementos del compuesto . El hidrógeno es simplemente esponjoso a menos que esté ligado a otros elementos.

Además de las respuestas anteriores, la velocidad de escape desde la superficie de Marte es menos de la mitad que desde la Tierra, 5,0 en lugar de 11,2 km/s. Por lo tanto, el alto ISP de LH2/LOX no es tan necesario. O, para decirlo al revés, el bajo ISP de CH4 es menos un desperdicio de energía fotovoltaica de lo que sería en la Tierra.

Fabricación de propulsores en Marte: ¿Por qué no solo LH2/LOX en lugar de metano?
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