Uso de agua como propulsor hidro-lox almacenable de alta densidad

Hydro/lox es una excelente opción de combustible y se ha utilizado en muchos motores/cohetes con altos requisitos de ISP, sin embargo, los dos mayores inconvenientes del propulsor son su densidad y evaporación. ¿Podría esto resolverse almacenando el propulsor como agua a presión atmosférica y luego usando paneles solares o incluso RTG para generar la energía necesaria para convertir el agua en 2H/O a través de la electrólisis? Esto tendría el inconveniente de tener que quemarse estequiométricamente y solo con una gran fuente de energía en relación con el motor, lo que posiblemente limite su uso a las sondas espaciales. ¿Podría esto potencialmente reemplazar a los motores de iones como una alternativa de bajo costo y alto T/W?

He dejado una respuesta parcial pero creo que esto merece un tratamiento más completo. ¡Buena pregunta!
@uhoh, sí, gracias por su respuesta, los motores de iones probablemente harían que esa tecnología quedara obsoleta
Se puede hacer, si. Pero para que esto tenga sentido, necesita un escenario muy específico: 1) debe necesitar un alto empuje (que no obtendría de las unidades de iones); 2) debe tener una fase de inercia/estacionamiento muy larga antes , por ejemplo, varios años (el almacenamiento de hidrógeno no es posible debido a la evaporación). Entonces podría usar su fuente de energía eléctrica para rellenar de manera eficiente los tanques de hidrolox del tanque de agua por adelantado. Además, para que esto tenga sentido, 3) la eficiencia, el costo y la confiabilidad generales de este sistema tendrían que coincidir al menos con los de los SRB. Tal vez hay algunos casos de uso militar.
Si está utilizando energía nuclear para alimentar el sistema de propulsión, un mejor enfoque para un ISP alto es la propulsión iónica; para alto empuje donde ISP es menos preocupante, sobrecalentando directamente el propulsor. El agua podría no ser la mejor opción para un propulsor almacenable porque se congela a lo que podría ser una temperatura inconvenientemente alta.

Respuestas (6)

El objeto de quemar un propulsor químico es convertir la energía química en calor, utilizando ese calor para acelerar el propulsor. Si está comenzando con la energía eléctrica, no tiene por qué limitar la energía que pone en una masa determinada de propulsor a lo que puede almacenar en ella como energía química: simplemente caliente el agua directamente y podrá alcanzar temperaturas que la combustión no podría alcanzar. t lograr, superando a un propulsor químico hydrolox. Caliéntelo lo suficiente y disociará el agua en hidrógeno y oxígeno, mejorando aún más el impulso específico al reducir el peso molecular promedio. La tecnología de propulsores que está desarrollando Momentus es un ejemplo de esto, usando calentamiento por microondas: https://momentus.space/

Si necesita empuje más que la eficiencia del propulsor, puede funcionar a una temperatura más baja y una tasa de flujo de masa más alta. El calentamiento por resistencia simple podría ser suficiente en este caso... un resistojet.

Además, el agua es el producto químico de la oxidación total (combustión) del hidrógeno. No puedes sacar más energía de esa reacción de la que tienes que poner para revertirla (segunda ley de la termodinámica), y en la práctica tienes que poner más energía de la que puedes recuperar. Entonces, hidrolizar agua solo para quemar el hidrógeno y el oxígeno resultantes es una propuesta perdedora.
@JohnBollinger Parece que no entiende el punto: con un satélite en el espacio, esa energía sería de la luz solar, por lo que el agua actúa como una forma de convertir la electricidad en empuje, por lo que la eficiencia de la electrólisis es casi completamente irrelevante. Todo lo que importa es si es más eficiente (en un escenario específico) que otros propulsores eléctricos.
@JohnBollinger también hay ineficiencias al calentar directamente el agua. La generación de microondas está lejos de ser 100% eficiente, por ejemplo. Y, por supuesto, debe pagar el costo de energía de dividir las moléculas si desea un escape disociado ... es solo parte del intercambio de eficiencia de potencia / propulsor.
@JohnBollinger La ventaja de dividir el agua es la alta potencia (energía/tiempo) entregada al quemar H2/O2, que a veces es importante para las maniobras orbitales. El Hydrolox es una inmensa reserva de energía que se puede convertir en empuje en muy poco tiempo. La energía química sigue teniendo la mayor densidad de energía (¿por volumen? ¿Masa? No estoy seguro). El "almacenamiento" directo de electricidad (supercondensadores, baterías) es menos eficiente (¡y en realidad es solo otro sabor de energía química de todos modos!).
@Peter-ReinstateMonica, ¿está sugiriendo almacenar hidrógeno y oxígeno producidos durante un largo período de tiempo y usarlos en una combustión corta? Esto permitiría un mayor empuje y aprovecharía mejor el efecto Oberth, pero estaría limitado al rendimiento de hydrolox con una mezcla estequiométrica (o las penalizaciones de transportar agua que contiene oxígeno que se desecha después de la electrólisis), y usted tienen que transportar pesados ​​recipientes a presión para hidrógeno y oxígeno gaseosos, que en realidad no contendrán mucho propulsor. (Si pudiera licuar H2 y O2, no estaría electrolizando agua).
Una nota al margen posiblemente interesante: en realidad, se usan antorchas pequeñas para trabajar metales a pequeña escala (como joyas) que funcionan de esta manera, electrolizando agua para producir hidrógeno y oxígeno que se queman. Por supuesto, hay un conjunto completamente diferente de propiedades deseables y compensaciones involucradas en esa aplicación.

Respuesta parcial:

Si uno tiene energía eléctrica solar, puede usar cada kilogramo de propulsor de manera mucho más efectiva (es decir, mayor delta-v a través de un Isp más alto) si está ionizado y acelerado. La aceleración electrostática puede impartir una velocidad de aproximadamente 10 000 a 100 000 m/s (o potencialmente más alta (perdón por el juego de palabras)), frente a alrededor de 4500 m/s de un motor químico 2H2 + O2.

Entonces, si bien podría hacer esto (no hay una razón fundamental por la que no), sería mucho mejor traer algo de criptón o incluso yodo para ionizar en lugar de agua para dividir y reformar.

Xenón y criptón

Sólidos como yodo y litio.

Alternativas más ligeras

especies moleculares

¿Por qué estos elementos en particular? Pregunta honesta.
@BolucPapuccuoglu ¡y también una buena pregunta! Tienes razón, originalmente había planeado vincular a otras publicaciones sobre eso, te enviaré un ping cuando lo haga. La respuesta corta es que los gases nobles como el xenón y el criptón son fáciles de ionizar, por lo que para la mayoría de los motores, las fuentes de alimentación y los imanes que producen el plasma y contienen los electrones pueden ser más livianos, pero deben almacenarse en una botella de gas pesada a alta presión. El yodo se puede almacenar como un sólido bajo una presión modesta, por lo que ahorra peso, pero aún es experimental.
@uhoh: el agua será un recurso espacial disponible a distancia de la Tierra, pero Xenon y Krypton tendrán que venir de la Tierra.

Los líquidos son mucho mejores para enfriar que los gases. El motor VW escarabajo fue el único que utilizó refrigeración por aire entre muchos otros motores de automóviles refrigerados por agua. Ningún motor de automóvil moderno utiliza refrigeración por aire.

(Lo siento, no tengo la reputación aquí para comentar). Puedo pensar en otros dos motores de automóviles enfriados por aire: Porsche y Corvair. ¡No olvidemos todos los motores aeronáuticos refrigerados por aire que existen, incluso hoy en día! Los motores refrigerados por aire eran mucho más ligeros y sencillos. La única razón por la que ya no los ve en los automóviles es que es difícil controlar su temperatura de funcionamiento (en comparación con los enfriados por agua), lo que genera muchas más emisiones de contaminantes.

Para tu información, una vez que participes por un tiempo, podrás comentar las publicaciones, pero tratar de usar las respuestas como comentarios solo hace que se eliminen.
Los refrigerantes utilizados en los circuitos de refrigeración de los motores de cohetes a menudo se evaporan, pero siguen siendo fluidos, ya que son supercríticos.
Una vez, mi amigo tuvo un Corvair, pero me dijo que había leído que eran peligrosos a cierta velocidad, pero no recuerdo a qué velocidad era ... También tuve una vez un Plymouth Satellite y lo discutí en esta respuesta pero yo También discutí cosas relacionadas con la exploración espacial en esa respuesta. Si desea mantener esto como una publicación de respuesta (y eso podría ser fácilmente posible), ¿agrega algo a esto de alguna manera para enfocarse en los aspectos de la pregunta relacionada con los vuelos espaciales? ¡Gracias!

Sí, y ha habido planes para que la carga comercial entregue agua a una puerta de enlace, donde se dividiría por electrólisis para crear propulsor para un vehículo de descenso/ascenso reutilizable.

Si bien la electrólisis consume mucha energía, el agua puede dividirse durante un par de meses y almacenarse, hasta que se use en minutos, por lo que para un sistema reutilizable como este, la masa de los paneles solares, la electrólisis, la refrigeración y el equipo de almacenamiento es uno. -Costo de descuento para la puerta de enlace, no uno que deba pagarse por el vehículo (relativamente) de alto empuje.

"el agua se puede dividir en semanas y almacenar" solo si ambos tienen tanques grandes para agua líquida e hidrógeno y oxígeno gaseosos. El uso de tanques pequeños y livianos para gases líquidos es difícil durante semanas y requeriría un enfriador de gas pesado.
sí @uwe, como se explica en el segundo párrafo, solo tiene sentido para una estación de servicio, no para un vehículo.
Puede almacenar el agua como hielo envuelto en un aislamiento de varias capas. No hay necesidad de un tanque real.
Nuevamente, puede usar agua directamente calentándola con una fuente de energía nuclear. Ha habido trabajo en módulos de aterrizaje de vapor nuclear para la luna. La ventaja es que no necesita todo el costoso equipo de electrólisis y almacenamiento de combustibles criogénicos. Simplemente construya un módulo de aterrizaje con una gran vejiga de agua, fuerce el agua en una cámara de calentamiento de energía nuclear que la convierte en vapor y la dispara por una boquilla. Es menos eficiente en términos de ISP, pero TWR es bastante bueno debido a su simplicidad. En un entorno de airleas de 1/6 g, funciona bastante bien sobre el papel.
pero involucra una fuente de energía nuclear @DanHanson

Dividir el agua en hidrógeno y oxígeno usando energía eléctrica es muy ineficiente. La resistencia interna de la celda de electrólisis está provocando una gran pérdida de energía. La resistencia se puede disminuir reduciendo la distancia entre ambos electrodos, pero se necesita una distancia mínima para la separación de hidrógeno y oxígeno.

Mediante la electrólisis se obtiene hidrógeno y oxígeno gaseosos. Pero un motor de cohete hidrolox está diseñado para líquidos, no para gases. El enfriamiento necesario de la cámara de combustión se realiza únicamente con líquidos. Las turbobombas no funcionan con gases.

Los líquidos son mucho mejores para enfriar que los gases. El motor VW escarabajo fue el único que utilizó refrigeración por aire entre muchos otros motores de automóviles refrigerados por agua. Ningún motor de automóvil moderno utiliza refrigeración por aire.

El escape de un motor de cohete hidrolox es vapor de agua extremadamente caliente, por lo que es más fácil y eficiente usar un motor de cohete de vapor calentado eléctricamente. Pero alcanzar una temperatura de vapor comparable no es fácil

Realmente no te importa la separación de hidrógeno y oxígeno si lo vas a quemar directamente. Simplemente puede bombear la mezcla a la cámara de combustión. Además, la tasa de flujo será bastante baja, por lo que no le importarán las bombas turbo o el enfriamiento.

En la mayoría de los escenarios, no puedo imaginar que el ISP adicional de hydrolox valga todo el equipo adicional que tendrá que llevar para lograr esto.

Sin embargo, veo una misión: Saltar entre cuerpos en la nube de Oort. La clave es que no llevas el agua, la extraes en cada objetivo. Sin embargo, si hay una misión en la que están lo suficientemente cerca como para que esto sea práctico es otro asunto...

Uso de agua como propulsor hidro-lox almacenable de alta densidad
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v