La ecuación del cohete de Tsiolkovski dice que el cambio de velocidad es proporcional a la velocidad de escape. La propulsión química parece tener una velocidad de escape máxima estrictamente limitada y lograda desde hace mucho tiempo en sus productos de combustión. Pero la propulsión iónica aplicada hoy en día ya tiene una velocidad de escape diez veces mayor y, creo, teóricamente no tiene un límite superior definido. El problema con la propulsión iónica es que es eléctrica, y las plantas de energía solar y nuclear no producen energía en absoluto con un efecto tan alto como lo hace la combustión/explosión química. (Tal es mi comprensión sin educación.)
¿Se podría utilizar la combustión química para impulsar un motor de iones para acortar los tiempos de viaje? Que en lugar de capturar gradualmente los rayos del Sol o la descomposición del plutonio, una nave espacial interplanetaria podría acelerar a alta velocidad en minutos en lugar de meses, mediante la combustión repentina de hidrógeno y oxígeno, en algún tipo de planta de energía termoquímica en la nave espacial, en energía eléctrica para la aceleración de iones? Uniendo la brusquedad de la química con la eficacia de los iones.
Las celdas de combustible de hidrógeno-oxígeno , como SOFC , tienen una densidad de energía específica máxima de ~ 17,9 MJ/kg (usando 142 MJ/kg para hidrógeno comprimido e incluyendo oxígeno a una fracción de masa de 1:7,93 2H-O que produce agua a una proporción de aire estequiométricamente perfecta para proporción de combustible ). Otros componentes químicos producen una densidad de energía específica más baja, ya que utilizan combustibles de mayor masa molar . Por cierto, esta es también la razón por la que LOX/LH2 alcanzan el impulso específico más alto entre los cohetes químicos. Ahora, teóricamente, la eficiencia más alta de la celda de combustible, suponiendo que se recupere el calor, es del 85 al 90 %. Así que nos encontramos con una densidad de energía específica teórica máxima de ~ 16 MJ/kg.
Por el contrario, los RTG alimentados con plutonio ( Pu-238 ) tienen una densidad de energía específica de 2 239 000 MJ/kg. Si asumimos que generan suficiente energía para una cuarta parte de su vida media de 87,7 años, redondeémoslo a 20 años, hemos utilizado el 14,6 % de su densidad de energía total y una eficiencia del 7 % (bastante bueno para un RTG, la mayor parte de su energía termina como calor residual), terminamos con la densidad de potencia de nuestro sistema de 22,916 MJ/kg. Eso es más de 1400 veces más que nuestros mejores combustibles químicos cuando se trata de densidad de potencia (que es lo que importa cuando se trata de mover masa).
Y no es que los RTG sean mucho más eficientes, no lo son, es solo que la energía química no viene en una forma muy eficiente en masa. Las celdas de combustible tendrán algunas ventajas sobre los RTG, como poder arrojar por la borda productos de reacción que ya no se necesitan o incluso encontrar su uso en otro lugar (refrigerante, agua potable, protección biológica,...), no tener que protegerse contra la descomposición radiactiva del propio combustible. , y así sucesivamente, pero también vendrá con desventajas, tales como que aún requieren recipientes a presión de paredes gruesas o fuertemente protegidos contra el calor para no perder demasiado en el espacio debido a la evaporación del combustible, las celdas de combustible energéticamente eficientes aún generarán una mucho exceso de calor que debe irradiarse de manera eficiente, etc. No es que los RTG no necesiten eso, pero las celdas de combustible no tendrán tantas ventajas sobre ellas para compensar esos 1,
Y dado que ya estamos discutiendo la energía nuclear, los RTG están completamente eclipsados por los reactores de fisión nuclear con una densidad de energía específica de 79 420 000 (torio) a 80 620 000 (uranio). Y hay diseños de reactores de fisión nuclear compactos y listos para aplicaciones espaciales , como SAFE , SP-100 , SNAP-10A , HOMER-15 , por nombrar algunos, que en su mayoría utilizan el diseño Heatpipe Power Systems (HPS). Solo tenemos que superar nuestra aversión a cualquier cosa nuclear y comenzar a regular su desarrollo, prueba y uso para que sean tanto una opción como su uso seguro.
La idea de usar una fuente de electricidad de alta potencia para aumentar el empuje de un propulsor de iones definitivamente es buena, pero la ineficiencia en la transformación de la energía química en energía eléctrica es realmente el factor limitante. Agregue a eso la complejidad del sistema de propulsión, que se traduce en una mayor masa y, por lo tanto, un Delta-V general más bajo para la misma cantidad de propulsor, y disminuye los beneficios de usar la propulsión iónica en primer lugar.
Por el momento, los propulsores de iones dependen del suministro de energía solar o nuclear para obtener electricidad, y esas fuentes tienen límites en la cantidad de energía disponible, lo que limita su empuje. Se podrían usar fuentes de alimentación más grandes para proporcionar un mayor empuje, por lo que si su celda de combustible de hidrógeno (u otro convertidor de energía química) puede proporcionar una mayor potencia con una masa manejable, entonces sería factible. Sin embargo, transportar los propulsores químicos para generar esa electricidad es un gran problema, por lo que tal vez su idea sería más adecuada para naves espaciales interestelares futuristas que podrían recolectar hidrógeno y oxígeno en el camino.
brian lynch
tildalola
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