Sistema de lanzamiento terrestre con propulsor de agua

Se han propuesto propulsores a base de agua (y posiblemente ya se han probado) para su uso en satélites y otros vehículos en el espacio; consulte este artículo de la NASA . La idea es realizar una electrólisis en el agua para separar el oxígeno y el hidrógeno en dos vejigas y luego bombearlas a una cámara de combustión.

Para algunas matemáticas de estimación rápida, la densidad de H 2 O = 1 gramo / C metro 3 ; densidad de H 2 = 0.07 gramo / C metro 3 ; densidad de O 2 = 1.14 gramo / C metro 3 . El volumen necesario para 1 g total de propelente es 29.45 C metro 3 para 2 H 2 + O 2 y 2 C metro 3 para 2 H 2 O (Tome el inverso de cada densidad para obtener el volumen por gramo, multiplique por 1 gramo). Por lo tanto, almacenar agua como propulsor requiere aproximadamente 15 veces menos volumen que una masa equivalente de hidrógeno y oxígeno separados (sin incluir las diferencias en el equipo necesario, solo los propulsores).

Mi pregunta es la siguiente: ¿se podría usar agua como propulsor con un motor de electrólisis en un motor de cohete de 1ra o 2da etapa para lanzar desde la Tierra?

La densidad del agua es 1g/cm^3, no 2.
Genial, no sabía nada de eso! He compartido su artículo vinculado con mis redes sociales. Gracias.
@RussellBorogove, por supuesto, tiene razón, y la densidad no cambia con el aumento de las porciones ... Debería haber estado hablando de volumen en lugar de densidad.
@RussellBorogove Acabo de actualizar mis cálculos para que coincidan con la corrección, gracias. Déjame saber si esto está mal.
¿De dónde viene la energía (o potencia) para la electrólisis?
@Jens, tendría que provenir de la energía almacenada en el vehículo o de una fuente de energía muy poderosa (y probablemente grande). Vea las respuestas a continuación.

Respuestas (5)

Hagamos algunos números: un solo motor Raptor consume aproximadamente 140 k gramo s de metano, que se quema en un ambiente rico en oxidantes, es decir, el metano se quema por completo. Quemar un kilogramo de metano libera una energía de 55.5 METRO j . Como tal, un motor Raptor tiene un consumo de energía química de 7.77 GRAMO W . Eso es un par de plantas de energía por valor de energía .

Ahora, cuando haces electrólisis para crear oxígeno e hidrógeno a partir del agua, estás gastando la misma cantidad de energía en forma de energía eléctrica, que recuperas como calor cuando quemas los dos gases dentro de un motor de cohete. Y, para evitar la necesidad de grandes tanques de hidrógeno/oxígeno en ascenso, debe producir su combustible tan rápido como lo quema. Es decir, necesitaría una fuente de energía eléctrica tan poderosa como una docena de plantas de energía juntas dentro de su cohete .

Supongo que debería ser obvio por qué esto es totalmente inviable.

Excelente desglose. La velocidad a la que tendría que ocurrir la electrólisis es la parte que me faltaba. ¡Gracias!
Eso es 6,4 veces más potencia de la que necesita para hacer funcionar una máquina del tiempo.

La propulsión basada en electrólisis se vuelve práctica solo una vez que ha alcanzado la órbita, donde puede alimentar la electrólisis con paneles solares y donde no necesita un empuje enorme. Lo que sea que usaría para impulsar la electrólisis para una primera etapa sería mucho más pesado que la propulsión química convencional.

Sin mencionar la masa de las propias celdas de electrólisis. Y lo que sea que use para alimentar la electrólisis también tendría una mayor potencia de salida que el motor de cohete que está alimentando con el resultado. Sería mejor simplemente hervir agua directamente.
¿No serían viables las opciones de energía remota, como la transmisión de energía por microondas o láser? Eso eliminaría la necesidad de almacenar la mayor parte de la energía a bordo (tal vez una pequeña parte todavía se almacene para emergencias y para complementar la electrólisis en caso de condiciones climáticas adversas).
@Engineer_Chris Un motor de cohete Merlin 1D tiene una potencia de salida efectiva de aproximadamente 3 GW, y la primera etapa tiene 9 de ellos, para una salida de potencia de escape total que supera a la presa de las Tres Gargantas. Entonces, no, la fuente de alimentación remota no es viable.
Hemos construido láseres lo suficientemente potentes, pero solo pueden funcionar durante una fracción de segundo, lasers.llnl.gov/about/faqs#192_beams_produce . Y seguro que no tenemos objetivos que puedan absorber tanta radiación y convertirla en energía útil.
Si tuviera un láser de este tipo, sería mejor que lo usara para hervir hidrógeno.
@ikrase siempre que pueda resolver el problema de hervir el flujo completo de propulsor de un vehículo de lanzamiento usando un rayo láser desde el exterior, sin hervir el vehículo o su carga útil / pasajeros. De hecho, incluso derretirlos generalmente se considera malo.
En los motores de cohetes, toda la energía se libera en una diminuta cámara de combustión rodeada de canales de refrigeración que arrojan el calor absorbido de vuelta a la cámara de combustión, donde inmediatamente sale por la tobera. Solo una pequeña parte del sistema está expuesta a la potencia de salida, y cualquier rendimiento deficiente del enfriamiento tiende a resultar en un escape rico en el motor. En algo que usa fuentes de energía externas, por lo general necesitas llevar algún equipo capaz de manipular esa cantidad de energía directamente sin evaporarse. Eso es muy, muy difícil de hacer en el presupuesto masivo típico disponible.
@ikrase es difícil calentar hidrógeno puro al iluminarlo, ya que es bastante transparente. El agua es mucho más fácil de calentar y almacenar. Obtener el Isp más alto no es el principio y el final de la cohetería ;-)
@ChristopherJamesHuff He visto una idea para una fuente de alimentación para un sistema de lanzamiento de láser de alta energía... involucra un generador MHD, impulsado por un motor de cohete Saturno :-D projectrho.com/public_html/rocket/surfaceorbit.php# Detalles láser
Además de que la energía remota es desfavorable para usar solo el sistema de energía remota para calentar el agua directamente, también existe la opción de mantener la unidad de electrólisis en el suelo y usar sus salidas en un cohete convencional. Necesita una unidad de electrólisis extremadamente eficiente en masa para que no sea preferible cuando el almacenamiento criogénico es una opción.
@StarfishPrime, puede dopar el hidrógeno con vapor de sodio o algo así, o quemarlo con suficiente oxígeno para vaporizarlo y hacer funcionar las bombas propulsoras y proporcionar algo de contenido de agua para absorber el rayo de energía. Mejorar el rendimiento de este sistema en particular podría marcar la diferencia entre un sistema que es increíblemente caro y uno que ni siquiera puede despegar... o simplemente podría construir un cohete químico bipropulsor convencional.
@ user1937198 que también tiene la ventaja de que puede usar una relación O / F más óptima ... los cohetes rara vez queman mezclas estequiométricas, generalmente usan más combustible para reducir el peso molecular promedio en el escape y velocidades de escape más altas, y para controlar corrosión del motor.
@ChristopherJamesHuff Eso y para reducir el riesgo de una relación de mezcla rica en motor.
@ikrase si tuviera un láser de este tipo, ¿no sería una mejor fuente de combustible simplemente rebotarlo que transportar el propulsor adicional?
@John Dvorak para la presión de fotones? No, eso requiere un láser mucho más potente.

Estoy bastante seguro de que esto no funcionaría ya que este tipo de propulsores no tienen suficiente empuje para despegar contra la gravedad de la Tierra. El propulsor HYDROS-C (el enfoque del artículo que vinculó) tiene un empuje de > 1.2 N , mientras que (para usar un ejemplo) los propulsores de cohetes sólidos del Transbordador espacial tenían cada uno 12-15 MN de empuje (dependiendo de la etapa del lanzamiento). Esa es una diferencia de siete órdenes de magnitud.

El tamaño de los propulsores HYDROS también es significativamente más pequeño que los del transbordador espacial. Se utiliza el mismo proceso de combustión en ambos motores, por lo que el empuje podría ser comparable (si fuera posible superar los problemas de potencia y peso).

El agua es el producto de baja entropía de la combustión . (Es por eso que gotea del tubo de escape de su automóvil y es la masa de reacción que sale de los motores principales del transbordador espacial). mucha energía externa.

Esto contrasta con los viejos motores químicos normales, que "simplemente" queman directamente sus combustibles.

El objetivo de los motores de electrólisis es obtener el rendimiento del hidrolox con un propulsor almacenable en el espacio. No necesita propulsores almacenables en el espacio en la plataforma, incluso si pudiera hacerlo de alguna manera, ¿por qué lo haría?

Una de las razones más importantes es la seguridad. El agua no es combustible, lo que la hace mucho más segura para los astronautas.
@Engineer_Chris: Por otro lado, operar un reactor nuclear de varios GW lo hará significativamente menos seguro para los astronautas y para todos dentro de un radio bastante grande. El problema fundamental es que el lanzamiento necesita una gran cantidad de energía, y esa cantidad de energía será peligrosa sin importar la forma que adopte.
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