¿Sería práctico atrapar el escape de un cohete para reutilizarlo como combustible?

Como cualquier máquina de movimiento perpetuo , no funcionará. En este caso, hay dos razones principales.

Primero, su flecha de "devolver combustible" está empujando la masa hacia adelante; cada acción tiene una reacción igual y opuesta, por lo que empujar esa masa hacia adelante empuja al resto del cohete hacia atrás.

En segundo lugar, el escape no es combustible; ya se quemó y la energía química del combustible se convirtió en energía cinética. No hay una manera fácil de volver a convertirlo. Es equivalente a tomar las cenizas y los gases que se desprenden de un fuego de leña o carbón y tratar de quemarlos nuevamente.

Esto es casi una fuente espacial .

Pero falta un detalle esencial: el colector no debe estar conectado a la nave, sino anclado firmemente al suelo. ¡El suelo es un gran sumidero para el impulso!

Incluso más cerca de su diagrama, pero aún con el detalle esencial de que no están conectados, dos barcos haciendo ping-pong con propulsor entre ellos acelerarían en direcciones opuestas. La suma del impulso sigue siendo cero, pero ese también es el caso con un cohete normal.

No, no sería práctico hacer eso.

En teoría, es posible volver a convertir los gases de escape en combustible. Sé que los cohetes usan diferentes compuestos de combustible/oxidante, como por ejemplo la hidracina y sus derivados oxidados por tetróxido de dinitrógeno, pero consideremos un ejemplo más simple ya que la conclusión también es válida si se aplica a todos los demás dúos de combustible y oxidante. Si usamos hidrógeno líquido como combustible y oxígeno líquido como comburente, el producto de la combustión será vapor de agua. Es totalmente posible convertir el agua de nuevo en hidrógeno y oxígeno.

Sin embargo, el problema con este enfoque es más fundamental: la conversión de los productos de la combustión nuevamente en sustratos (combustible y oxidante) requerirá un aporte de energía y, lo que es más importante, considerando la segunda ley de la termodinámica, siempre requerirá más energía de la que se obtuvo del proceso. combustión en primer lugar. El resultado neto de la energía ganada frente a la gastada será necesariamente siempre negativo, independientemente del método que se utilice para dividir el agua en sus elementos constituyentes.

Cualquier supuesta solución a este problema fundamental tendría que violar las leyes de la física. Y, contrariamente a las afirmaciones hechas en otras respuestas, no es necesariamente difícil ni complicado convertir los gases de escape en combustible y oxidante. Todo lo que requiere la electrólisis del agua son dos electrodos y una fuente de electricidad con un voltaje superior a alrededor de 1,23 V; opcional, pero muy recomendable también sería una pequeña cantidad de compuesto iónico fuerte y electrolíticamente inerte como ácido sulfúrico o hidróxido de sodio para aumentar la velocidad de reacción. El proceso en sí es realmente simple, no requiere ninguna tecnología "de vanguardia" (o cualquier palabra de moda hoy en día) y potencialmente cualquiera podría realizar dicho proceso en casa ahora mismo. Y dado un tiempo suficientemente largo, incluso los productos de la combustión de madera (suponiendo una combustión completa a dióxido de carbono, agua y cenizas minerales) en cierto sentido se convertirán parcialmente en madera y oxígeno, ya que los árboles en crecimiento absorben esas sustancias del aire y el suelo mientras se someten a la fotosíntesis. Tales afirmaciones podrían sugerir que podría ser posible, pero difícil y que requeriría la invención de alguna tecnología innovadora, mientras que en realidad es posible, solo generaría una pérdida neta de energía y, por lo tanto, no tendría sentido.

Tampoco importa qué método se utilice para hacer reaccionar el hidrógeno con el oxígeno: la combustión, la electrólisis inversa en las llamadas "células de combustible", etc. siempre producirán menos energía de la que se necesitará para convertir el agua resultante en hidrógeno y oxígeno.

Una famosa serie de fotos antiguas de 2010 muestra un concepto imposible diferente, pero similar en principio (haga clic en las imágenes para ver las versiones en tamaño completo):

La pregunta original se refería a un esquema para "atrapar el combustible sobre la marcha", pero no indicaba si la línea que conectaba la imagen de un cohete con la imagen de un "colector" [sic] indicaba que dos cosas estaban conectadas por un cuerpo rígido o dos bloques funcionales. las designaciones estaban vinculadas por un plan para enviar propulsor del colector al cohete en algún momento sin conexión de cuerpo rígido entre las dos cosas. Elijo esta última interpretación porque permite la realización física de la idea.
Por lo tanto, es completamente práctico reciclar el escape del cohete. No necesita ser propulsor de hidrógeno y oxígeno. Podría ser metano y oxígeno en una proporción de quizás 3 kg de oxígeno por 1 kg de metano, en cuyo caso debería obtener gases de escape como dióxido de carbono, vapor de agua, monóxido de carbono e hidrógeno. [Ben Munro, ingeniero mecánico] (https://www.benjaminmunro.com/liquid-oxygen-methane-engine-development )
El dióxido de carbono se puede volver a convertir en metano usando hidrógeno en la reacción de Sabatier. [El renacimiento de la reacción de Sabatier y sus aplicaciones en la Tierra y en el espacio] ( https://www.nature.com/articles/s41929-019-0244-4 ) El monóxido de carbono también se puede convertir en metano con hidrógeno, un catalizador. , presión y calor. ["Adsorción y desorción de hidrógeno, monóxido de carbono y sus productos de reacción en un catalizador para la síntesis de metanol" por C. AHARONI y H. STARE] ( https://cdnsciencepub.com/doi/pdf/10.1139/v74- 603). El hidrógeno se puede recuperar del vapor de agua por electrólisis. La recuperación de hidrógeno por electrólisis es una parte esencial del esfuerzo de reciclaje y requiere energía eléctrica y tiempo.
La sugerencia de reciclar los gases de escape de los cohetes y una sugerencia de cómo hacerlo ha aparecido en Internet. [RECICLAJE DE ESCAPE DE COHETE] ( https://lunarpedia.org/w/RECYCLING_ROCKET_EXHAUST) Dudo en ofrecer esta referencia porque publiqué el artículo de Lunarpedia, por lo que no tiene más autoridad que yo, pero muestra que no estoy plagiando. De la posibilidad física de capturar y reciclar los gases de escape de los cohetes, no hay duda. No requiere un título de ingeniería, ya que tengo que entender los conceptos involucrados. La construcción de un tubo de treinta millas de largo en la superficie de la luna de la Tierra a lo largo del ecuador a través del cual un cohete acelera a 30 metros por segundo al cuadrado de la velocidad de la órbita permitiría capturar la mayor parte del escape cerrando la puerta después de que el cohete se vaya. La aceleración horizontal a la velocidad orbital fue el primer medio sugerido por Sir Isaac Newton. [Cañón orbital de Newton] (http://www.astronautix.com/n/newtonsorbitalcannon.html#:~:text=Newton's%20Orbital%20Cannon&text=British%20gun%2Dlanzado%20orbital%20lanzamiento,para%20espacio%20viajes%20y%20cohetes. ).
Los lanzamientos verticales en la luna tienen la ventaja de que el empuje de vacío lo proporciona la gravedad. Cuando se va a lanzar un cohete horizontalmente dentro de un tubo, la asistencia de lanzamiento electromagnético de una plataforma de lanzamiento móvil acelerada eléctricamente puede proporcionar espacio vacío mientras se mantiene el cohete en el tubo. La asistencia de lanzamiento eléctrico también puede proporcionar el 4% de la misión delta v.
Dado que no se ha construido ninguna instalación de reciclaje de escape de cohetes de este tipo, no se conoce bien el porcentaje de propulsor que podría recuperarse y reutilizarse por el cohete original después de su regreso o por otro cohete. Ofrezco una suposición de que una instalación real podría reciclar mejor que el 95% del propulsor gastado. Si se reemplaza la minoría del combustible que se pierde, un cohete podría hacer viajes repetidos de ida y vuelta entre dos depósitos de combustible de reciclaje de combustible y usar el mismo combustible una y otra vez.

La respuesta debe matizarse con una pregunta: ¿la intención es usar directamente el escape como empuje o usarlo como combustible para quemar y crear empuje? Para el primero, se cancelaría a sí mismo en el proceso de recolección en el sentido de que se impulsaría en la dirección contraria, trabajando contra sí mismo. En este último, si quedara combustible quemable en el escape, esto sería una indicación de un diseño de motor ineficiente, para empezar, y eso debe solucionarse para llevar la eficiencia tan cerca del 100% como lo permita la física. En cuanto a los impulsores de iones, todo el mundo parece estar asumiendo el poder de fisión, que además de ser muy inestable es extremadamente ineficiente. Antes de que se desarrollen para su uso, es más probable que la energía de fusión se aproveche y se utilice para impulsar Ion Drives. Recuerde, las estrellas, incluido nuestro propio sol, se fusionan...

Si alguna vez se le ocurre una solución química en la que volver a quemar los gases de escape parece una buena idea, no construya esto. No funcionará porque atrapar el escape cancela el consumo de combustible. Es más fácil de ver cuando se piensa en el impulso que en la energía. Tienes que dejar atrás la masa de reacción.

Por otro lado, si encuentra la solución química, lo correcto para construir es más como un dispositivo de poscombustión; quemar el combustible dos veces en el mismo motor sin atraparlo; solo haz una campana de motor mucho más larga.

No practico. Hay varios problemas.

Primero, lo que sale de la parte trasera de un cohete en su mayoría ni siquiera es combustible.

En segundo lugar, la gran nube de combustible que ves en el lanzamiento es principalmente agua que evita que el cohete se rompa con sus propias ondas de choque.

Por último, pero lo más importante, incluso si el escape fuera en realidad un combustible nuevo que se quemara con sus partes a bajas temperaturas y hubiera mucho más, aún no sería práctico. Todo se reduce a una pregunta. Incluso si atrapa combustible, ¿cómo va a obtener ese combustible, moviéndose rápidamente en la dirección opuesta a la que se está moviendo, todo el camino de regreso, llévelos a sus compartimentos de combustible, vuelva a condensarlos y asegúrese de que no haya cosas de acceso? , antes de llegar finalmente a reutilizar el combustible? Se necesita energía para devolver el combustible, se necesita energía para canalizarlo de vuelta a los compartimentos, se necesita energía especialmente para volver a condensar el combustible en líquido y asegurarse de que no haya nada que bloquee completamente las tuberías de combustible en el motor.

En general, se necesitaría más energía que simplemente traer más combustible, sin mencionar que ralentizaría su nave porque tiene que seguir arrastrando ese cable pesado y el colector de combustible.

El escape de un cohete de hidrógeno líquido y oxígeno líquido contiene una gran cantidad de hidrógeno sin quemar. La mezcla estequiométrica es de 8:1 en masa, pero tales cohetes funcionan más cerca de 5:1 para un impulso específico máximo. El hidrógeno no quemado agrega empuje porque sale a una velocidad muy alta (gran impulso) debido a su baja masa (en comparación con el vapor de agua).

Es tentador tratar de usar el hidrógeno no quemado de alguna manera, pero cualquier intento de llevar consigo el oxígeno adicional está condenado al fracaso debido tanto a la necesidad de transportar ese oxígeno adicional como a la necesidad de igualar de alguna manera su velocidad con el hidrógeno no quemado en el interior. el escape Supongo que esto sigue siendo cierto incluso para algún tipo de concepto de poscombustión o estatorreactor que utiliza oxígeno atmosférico durante los primeros kilómetros de vuelo.

En el ámbito de lo teóricamente posible pero completamente impráctico, considere que los campos magnéticos son ubicuos en el espacio. Las partículas cargadas como escape del motor seguirán trayectorias helicoidales. Coloque su colector en un punto donde el escape haya atravesado la mitad de un ciclo helicoidal. Esto transfiere impulso al campo magnético, produciendo empuje sin gastar masa de reacción.