¿Por qué se tardó tanto en utilizar el metano como propulsor de cohetes?

¿O me equivoco y ha habido intentos de construir un cohete de metano en el pasado?

Bueno, si lo hubiera, me imaginé que el famoso libro de John D. Clark Ignition! (1972, copia gratuita en línea ) sería el lugar para encontrarlo. Y, de hecho, el índice al final del libro tiene una entrada conveniente para "metano, utilidad de" que apunta a las páginas 8 y 191. En la página 8, Clark describe una de las primeras pruebas de un motor de cohete de metano LOX en Alemania en 1930 ( !) de este modo:

"Originalmente, Oberth había querido usar metano como combustible, pero como era difícil conseguirlo en Berlín, su primer trabajo fue con gasolina y oxígeno. Johannes Winkler, sin embargo, tomó la idea y, trabajando independientemente del VfR, pudo encender un motor de metano líquido-oxígeno líquido antes de finales de 1930. Este trabajo no condujo a ninguna parte en particular, ya que, como el metano tiene un rendimiento solo ligeramente superior al de la gasolina, y es mucho más difícil de manejar, nadie podía verle ningún sentido. siguiéndolo".

Entonces, si hay que creerle a Clark (y personalmente no tengo motivos para pensar lo contrario), la razón principal por la cual el metano se ha descuidado en su mayoría como combustible para cohetes después de estos primeros experimentos es simplemente que, con su bajo punto de ebullición, es más difícil de almacenamiento y manipulación que los combustibles a base de queroseno más tradicionales.

FWIW, la referencia a la página 191 es mucho menos útil, ya que esa página pertenece al (ahora algo anticuado) capítulo 13, "Qué sucede después", y simplemente menciona el metano como un posible combustible bipropulsor de baja temperatura para sondas de espacio profundo. El uso de metano y difluoruro de oxígeno como bipropulsores almacenables en el espacio también se analiza en el capítulo 6, "Halógenos y política y espacio profundo", en las páginas 83 y 86, donde Clark señala, resumiendo un montón de estudios de la NASA de la década de 1960:

"Todos los hidrocarburos eran buenos combustibles, pero el metano era único en su clase como refrigerante, transpiración o regenerativo, además de tener el mejor rendimiento. La combinación OF ₂ -metano es extremadamente prometedora. (Tomó mucho tiempo para Winkler's combustible de 1930 para que se haga realidad!)"

Así que parece que el metano ha sido considerado como combustible para cohetes mucho antes del siglo XXI, pero principalmente para aplicaciones en el espacio profundo donde su alta volatilidad no es un problema importante, e incluso puede considerarse una característica.

Finalmente, para completar, la página 146 del libro de Clark contiene una mención bastante inquietante de LOX + metano líquido como monopropulsor propuesto :

"Si las mezclas de Tannenbaum eran malas, la propuesta en una conferencia de monopropelentes en octubre de 1957 por un optimista de Air Products, Inc., fue suficiente para poner los pelos de punta a cualquiera en el negocio de los propulsores. Sugirió que una mezcla de oxígeno líquido y el metano líquido sería un monopropulsor de energía extra alta, e incluso había elaborado los diagramas de fase del sistema.* Cómo evitó el suicidio (la primera regla en el manejo del oxígeno líquido es que nunca, nunca dejes que entre en contacto con un (combustible potencial) es una pregunta interesante, particularmente porque el JPL demostró más tarde que se puede hacer que la mezcla detone con solo encender una luz brillante sobre ella. Sin embargo, ¡diez años después leí un artículo que proponía seriamente un monopropulsor de oxígeno-metano! Aparentemente, los ingenieros jóvenes son alérgico a la historia de su propio negocio."

Creo que podemos ver por qué este nunca despegó.

Los tres principales competidores para las opciones de combustible líquido hasta la fecha han sido:

• Hipergólicas: la forma más fácil de empezar
• Queroseno/LOX - Buen empuje, bajo rendimiento, pero denso
• LH/LOX - Mejor rendimiento, más difícil de hacer

Entonces, si estaba comenzando un nuevo programa espacial con un diseño de hoja limpia, LOX / LH está fuera de discusión, demasiado difícil. Los hipergólicos son bien entendidos, almacenables, excelentes para misiles, terriblemente corrosivos y peligrosos.

Los misiles, convertidos en lanzadores, a menudo eran hipergólicos o sólidos.

El queroseno/LOX es una buena opción para empezar, si los hipergólicos no están en carrera. LOX es manejable, Kerosene es muy fácil de manejar.

El estándar de oro de rendimiento es LH/LOX, especialmente para etapas superiores donde más importa. Pero el hidrógeno líquido es muy esponjoso, necesita tanques enormes, fragiliza los metales, se filtra muy fácilmente y es simplemente difícil trabajar con él.

La mayoría de los programas espaciales parecen querer saltar a LH/LOX cuando sea posible, ya que a menudo están optimizados para el rendimiento, no para el costo. (GSLV de India, H-II de Japón, transbordador espacial).

SpaceX ingresó con un objetivo diferente en mente, el costo. Iba a decir que SpaceX ingresó a este mercado, pero en realidad, no era realmente un mercado hasta que SpaceX ingresó. Era más una serie de proyectos de prestigio del gobierno nacional. Esto ha cambiado los resultados del estudio comercial. Claro, LH/LOX tendría un mejor rendimiento, pero si ese no es su único objetivo, entonces, de repente, el metano comienza a verse realmente bien.

El objetivo principal de SpaceX en Marte, donde el metano está potencialmente disponible para el reabastecimiento de combustible (con la infraestructura adecuada para convertir el CO2 y el agua en metano), lo hace doblemente atractivo para ellos.

El metano, aunque es un combustible de alto ISP con el que es relativamente fácil trabajar, tiene sus dificultades. Lo más difícil de trabajar con metano es que requiere una fuente de ignición, ya que el metano y el oxígeno no se queman espontáneamente. De hecho, hay un documento que compara directamente el metano y el RP-1 como combustible para cohetes. Los principales hallazgos incluyen:

• El ISP de metano es aproximadamente 10 s más alto que RP-1.
• La masa del motor aumenta para el metano.
• En general, la carga útil de cohetes similares es casi idéntica.

Entonces, si bien el metano tiene algunas ventajas, requeriría investigación y desarrollo y terminaría siendo más costoso que el RP-1.

Por supuesto, la investigación adicional ayudará al caso del metano y, lo que es más importante, el metano se puede producir o está fácilmente disponible en muchos lugares del sistema solar, lo que lo hace atractivo para la utilización de recursos in situ (ISRU). Aparte de eso, hoy en día no hay una gran ventaja en usar metano como combustible para cohetes.

En el pasado, las opciones eran la opción óptima de alta tecnología (Hidrógeno) o la opción de productos básicos (RP1, básicamente queroseno).

El metano es ciertamente mucho más fácil de manejar que el hidrógeno, con un punto de ebullición ligeramente más alto que el oxígeno, ni cerca de los -259C (solo 14K por encima del cero absoluto) del hidrógeno. Su energía por unidad de volumen de líquido también es mejor que la del hidrógeno.

Un factor es que el metano líquido ya no es un combustible exótico. El comercio mundial de gas natural licuado se ha duplicado aproximadamente cada década durante las últimas décadas, como se puede ver en https://en.wikipedia.org/wiki/Liquefied_natural_gas (50Mtpa en 1990, 130Mtpa en 2002, 246Mtpa en 2014). Como Como resultado, las habilidades en el manejo de GNL han pasado de ser especialistas a convertirse en algo común, lo que reducirá los costos de desarrollo. Quizás lo más importante es que el metano líquido/GNL ya no es un material especializado: ahora puede pedirlo como combustible normal.

https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_rocket_propellant muestra que CH4/oxígeno tiene solo un 3 % más de impulso específico que RP-1/oxígeno, mientras que hay un gran salto de CH4/oxígeno a H2/oxígeno. (Tanto el etileno como, sorprendentemente, la hidracina, son ligeramente mejores que el metano). Por lo tanto, creo que las otras respuestas son correctas porque la razón principal para usar CH4 es que, según se informa, está disponible en otras partes del sistema solar, y a Musk le gustaría ganar experiencia con él, para poder repostar en otros mundos.

Además de ser esencialmente GNL, el metano se quema limpiamente. El queroseno produce coquización y polimerización dentro del motor. Esto no importa si usa el motor solo unas pocas veces. Si desea reutilizarlo 40-50 veces o más (como Spacex), debe limpiar un motor de queroseno cada pocos usos y esto se vuelve costoso si tiene que desmantelarlo. El metano es muy superior desde una perspectiva de "reutilización". El GNL también es barato en estos días, por lo que la ventaja de los RP-1 prácticamente se ha ido.

Un aspecto de este tema que parece pasarse por alto en la mayoría de las discusiones que veo es la experiencia y el avance tecnológico. Cuando intentábamos que la gente orbitara y luego otro planeta por primera vez, nuestro criterio principal era hacer lo que fuera necesario para aumentar nuestras probabilidades de éxito. Usamos H2/LOX porque queríamos todo el ISP que pudiéramos, sin importar el costo. Hace 50 años, estábamos haciendo lo que nadie había hecho nunca, y teníamos mucha menos destreza tecnológica y herramientas para atacar el problema. Tuvimos que "fuerza bruta" y "estimar" mucho más de lo que lo hacemos ahora.

Ahora llegar a LEO es más una rutina que un gran experimento. Ahora sabemos que la relación empuje/masa es considerablemente más importante para llegar a LEO que en ese entonces. Sabemos que un Isp más bajo vale la pena si obtenemos una mejora lo suficientemente grande en la relación empuje/masa. Tenemos herramientas analíticas, avances en ciencia de materiales y métodos de fabricación que son mucho mejores que los de hace 50 años. Ahora podemos almacenar CH4 y LOX cerca de sus puntos de congelación de manera mucho más económica. Podemos diseñar y construir motores de combustión de flujo completo más simples y confiables. La relación empuje/masa del Raptor va a ser más del doble que la del motor F1 del Saturn V. Probablemente será más de 3 veces más que el de SSME. Y va a ser mucho más reutilizable. Todas esas ventajas compensan con creces el ISP más bajo de CH4/LOX frente al de H2/LOX.

En resumen, tenemos más experiencia junto con más materiales y herramientas disponibles para aprovechar al máximo esa experiencia.