Čtvrtek 13. srpna 2020, svátek má Alena
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Čtvrtek 13. srpna 2020 Alena

Proč SpaceX v raketách nepoužívá lepší palivo?

aktualizováno 
Elon Musk se před pár týdny na Twitteru zapojil do diskuze ohledně raketových paliv. A během následné rozpravy vysvětlil, proč se u nové generace nosičů SpaceX změnilo palivo a proč jeho stroje nepoužívají to „papírově“ nejlepší.

Starship Mk1 a první stupeň Falconu 1 | foto: SpaceX

Kdyby laik měl vybrat ideální palivo pro nosnou raketu, nejspíše by zvolil kombinaci vodík-kyslík. Proč? Kyslík je samozřejmě nutný, bez něj nic hořet ve vakuu nebude. A vodík se na papíře zdá být jednoznačně nejlepší volbou, protože je lehký (nic lehčí být nemůže), hoří čistě a má nejvyšší tzv. specifický impuls.

Specifický impuls je sice málo známá, ale poměrně jednoduše konstruovaná jednotka: vyjadřuje poměr tahu k množství spotřebovaného paliva za sekundu. Jestliže je specifický impuls například 1000 N.s/kg znamená to, že jeden kilogram pracovní látky dokáže vyvolat po dobu jedné sekundy tah 1 000 Newtonů. Zrovna tak to znamená, že po dobu 1 000 sekund bude dávat tah jednoho Newtonu.

Ve skutečnosti se ovšem vodík používá méně, než byste čekali. Například 2. generace motorů v nosičích společnosti SpaceX, motory Raptor, měly původně spalovat vodíky a kyslík, jak nedávno vysvětlil inženýr Tom Mueller . Ovšem SpaceX nakonec motory přepracovalo a vodíky nahradilo metanem.

Některé důvody jsme znali, další Elon Musk nedávno vysvětlil na Twitteru během delší diskuse nad (ne)výhodami různých typů paliva. V podstatě šlo o rozvinutí argumentů, které uvedla firma, když v roce 2016 veřejněa představil obří marsovskou raketu ITS (tento koncept byl v průběhu let přepracován na o něco menšíStarship). 

Co je k mání na Marsu a další otázky

Vodík je sice lehký, ale často se zapomíná na to, že vodík kvůli své nízké hustotě vyžaduje výrazně větší nádrže než jiná paliva. A větší nádrže znamenají vyšší hmotnost, kterou musí motory urychlit při cestě na orbitu.

Zkapalněný metan má hustotu 422 kg na metr krychlový, zatímco v případě kapalného vodíku to je pouhých 71 kg. Kvůli tomu je kapalný vodík poněkud nepraktický, což dobře ilustroval raketoplán, jehož hlavní motory spalovaly vodík a kyslík. Externí nádrž sice obsahovala šestkrát více kyslíku než vodíku, ale nádrž s vodíkem přesto představovala 75 % celkového objemu. Jinými slovy, kvůli nízké hustotě vodíku byla pro relativně malé množství paliva potřeba nepoměrně velká nádrž.

Raketoplán Challenger se mlhou blíží k odpalovací rampě 39-B během příprav k...

Vodík jako jednu složku paliva využívaly i americké raketoplány, a i proto byla hlavní nádrž tak veliká. Na snímku je raketoplán Challenger, když se mlhou blíží k odpalovací rampě 39-B před letem STS-51-L. Ten 28. ledna 1986 skončil po pouhých 73 sekundách výbuchem a smrtí posádky.

Elon Musk vysvětlil, že i přes nižší specifický impuls má raketový stupeň s metanovými motory Raptor de facto lepší výkony než vodíkový stupeň. Metan i kyslík totiž budou u Starship extrémně podchlazeny, hustota se ještě zvýší a do nádrží se vejde o něco více paliva.

Další hmotnost se ušetří tím, že metan i kyslík budou mít u Starship podobnou teplotu, takže není potřeba tepelná izolace mezi nádržemi pro tyto dvě látky a vystačíte si s jednoduchou společnou přepážkou. Jako další velkou nevýhodu vodíku Musk uvedl nutnost extrémního podchlazení (-253 °C v případě raketoplánu), které vyžaduje těžkou izolaci, ta je náchylná k tepelným únikům. „Vodík je peklo,“ dodal.

Neoficiální schéma nádrží prototypu Starship

Neoficiální schéma nádrží prototypu Starship

Musk podobně srovnal také metan a palivo RP-1, které SpaceX používá u raket Falcon. RP-1 je v podstatě vysoce rafinovaný petrolej. RP-1 sice má vyšší hustotu (800 kg/m3) než kapalný metan (422 kg/m3), ale tento rozdíl bude v reálu o něco menší, protože SpaceX bude metan podchlazovat výrazně pod bod varu, takže jeho výsledná hustota bude vyšší.

Navíc roli hraje i spotřeba druhé složky každého raketového paliva, tedy kyslíku. Kapalný kyslík má ještě vyšší hustotu než obě tato paliva (přes 1 141 kg/m3). Je tedy logické, že čím vyšší poměr kyslíku raketa potřebuje, tím lépe z hlediska výsledné velikosti nádrží.

Raptor spaluje kyslík a metan v poměru 3,6:1, zatímco v případě motoru Merlin u Falconů je to jen 2,3:1. U Starship tedy bude kyslík tvořit 75 % hmotnosti pohonných látek před startem, a nádrže tak mohou být o to menší. 

RP-1 má také jeden problém teplotní. SpaceX totiž používá RP-1 o teplotě -7 °C, zatímco kyslík má teplotu -206 °C. Tento velký rozdíl znamená, že mezi nádržemi musí být tepelná izolace, aby se zabránilo vzájemnému ohřívání/ochlazování pohonných látek. V případě metanu je rozdíl malý, a tak lze použít společnou přepážku pro oddělení kyslíkové nádrže od té metanové a ušetřit hmotnost.

Musk dále uvádí, že kryogenní teplota metanu vede u Starship ke zvýšení pevnosti ocelových nádrží, takže ve výsledku nemusejí být tak silné a těžké. Když pak všechny tyto výhodu sečteme, hmotnost nádrží metanové rakety je podle Muska srovnatelná s raketou využívající RP-1.

Merlin 1D (vlevo) vedle Raptoru

Merlin 1D (vlevo) vedle Raptoru

Nezmínili jsme ještě jednu velkou výhodu metanu, o které Musk a SpaceX mluví opakovaně. Domnívají se, že ví, jak ho na Marsu vyrobit. Ve SpaceX podle Muskovy prezentace z roku 2016 původně pracovali s představou, že na rudé planetě šlo vyrábět z marsovského vodního ledu vodík a kyslík.

Nakonec ji zavrhli kvůli technickým obtížím spojeným se skladováním vodíku. Jak jsme již zmínili, v kapalném stavu ho lze uchovávat jen při teplotách blízkých absolutní nule, což si zase žádá složitou infrastrukturu.

Metan (tj. CH4) by mělo být na Marsu hypoteticky být možné vyrobit zase z vodního ledu a pak oxidu uhličitého v atmosféře. Výroba by měla probíhat na základě dnes poměrně dobře známých reakcí (elektrolýza a tzv. Sabatierova reakce pro výrobu metanu), zdrojem energie mají být fotovoltaické panely.

Co to znamená pro motor

Typ paliva má pochopitelně také vliv na návrh raketového motoru. Elon Musk prozradil, že důležitou roli v rozhodnutí SpaceX přejít z vodíku na metan hrály sovětské a ruské pokroky ve vývoji raketových motorů v 80. letech minulého století. Sověti s nimi dosáhli specifického impulsu 380 sekund. 

Musk dále vysvětlil, že metan má vyšší maximální teoretickou efektivitu spalování než RP-1, takže impulsu 380 sekund nelze s RP-1 dosáhnout. S metanem je prý možné dosáhnout maximální teoretické efektivity spalovaní přes 99 %, zatímco u RP-1 je to maximálně 97 % a navíc dochází k zanášení turbín sazemi, které je potřeba odstranit mezi starty. Oproti tomu metan hoří čistě, takže opakované používání Raptorů by mělo být snazší než u Merlinů.

V Boca Chica byl nedávno spatřen další motor Raptor.

V Boca Chica byl nedávno spatřen další motor Raptor.

Když mluvíme o motorech SpaceX, Musk na Twitteru nedávno uvedl, že SpaceX vyrobilo již 30. motor Raptor se sériovým číslem SN30. Zajímavé je to především proto, že podle Muska se na motorech provedly stovky vylepšení.

Primárně údajně v oblasti výroby, došlo ovšem také ke snížení hmotnosti a zvýšení tahu a specifického impulsu. V jiném tweetu Musk dodal, že firma dále zlepšuje i hodnotu tlaku ve spalovací komoře a blíží se hodnotě 300 barů (30 MPa), což je klíčový parametr pro dosažení vysokých výkonů. Průběžné úpravy budou u Raptorů podle Muska pokračovat minimálně do 50. exempláře, teprve pak by se měla podoba motoru víceméně zafixovat.

Text vznikl pro server ElonX, a před vydáním byl redakčně upraven. Originál naleznete zde

Autor:

Přechod na DVB-T2

Od 27. 11. probíhá postupný přechod na vysílací standard DVB-T2. Kvůli koronavirové pandemii vláda rozhodla o odložení zbývajících přechodů na vysílání DVB-T2. Diváci si tak musí pořídit televizi s podporou kódování H.265 (HEVC) nebo starší televizi doplnit vhodným set-top boxem.

  • Nejčtenější

V noci na čtvrtek bude na maximu nejpopulárnější nebeské představení

Každý rok můžeme na obloze kolem 12. srpna vidět největší množství prachových částeček z meteorického roje Perseid,...

Svět je čím dál zelenější. Česko v současnosti míří opačným směrem

Na planetě Zemi v posledních desetiletích přibývá zeleně. Neplatí to však pro všechny státy. Česko bohužel představuje...

Dusičnan amonný zabíjel mnohokrát. Ovšem mnohem více životů zachránil

Výbuch v Bejrútu nebyl ani zdaleka jediným případem, kdy dusičnan amonný způsobil katastrofu. Některé z nich byly...

Spojené státy vyzkoušely nový nadzvukový kluzák

Odborníci americké armády a námořnictva v březnu otestovali hypersonický kluzák, který by měl být schopen překonat i ty...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Bioarcheolog: Náš genom je z třetiny lovců mamutů, Češi přišli z Polska

Jsou Češi spíše Slované, Germáni, Keltové nebo potomci původních obyvatel na našem území? Podle bioarcheologa Jaromíra...

Biolog Komárek: Jsme účastníky největšího sociologického experimentu všech dob

Premium Měsíce trvající pandemie nám převrátila životy naruby. Známý biolog, filozof a autor dvou desítek odborných knih a tří...

Brzy dospěju do bodu, kdy si účet na Facebooku zruším, říká Lucie Výborná

Premium „Je to hra. Hra, která by měla být přínosná, užitečná, inspirativní,“ říká o své práci moderátorka Českého rozhlasu...

Proč koronavirus už téměř nezabíjí. Vytratí se, nebo se vrátí ještě silnější?

Premium Koronavirus je záhadný. Nečitelný. I když ho zkoumají ti nejchytřejší lidé, pořád o něm víme málo. Chová se jinak. Je...

  • Další z rubriky

Spojené arabské emiráty míří k Marsu. Z Japonska vyslaly svou družici

V noci na pondělí se z japonského vesmírného střediska Tanegašima podařilo úspěšně vyslat na mnohaměsíční cestu k Masu...

Čína letí k Marsu čtyři dny po Spojených arabských emirátech

Čínská vesmírná agentura ve čtvrtek ráno úspěšně vyslala do kosmu loď, která má za několik měsíců dorazit k Marsu a...

Naložil techniku na dvoukolák a vyfotil kometu. Snímek zabodoval u NASA

Premium Už řadu let americká NASA vybírá fotografii dne. A už poněkolikáté v této rubrice uspěl brněnský amatérský astronom...

Modrá, nebo bílá. Spojené státy mají pro astronauty dva typy skafandrů

USA začínají znovu po letech dopravovat astronauty vlastními kosmickými loděmi. Ale co budou mít jejich posádky na...

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

WhatsApp se brzy zbaví toho, co nás na něm nejvíc štve

Populární chatovací aplikace WhatsApp chystá změnu, která leckoho potěší. Brzy bude mít podporu více aktivních zařízení...

Krejčířovu vilu opět nikdo nechce. Už ani za dvacetinu pořizovací ceny

Ani další pokus o vydražení vily v Černošicích, která patřila odsouzenému Radovanu Krejčířovi, nebyl úspěšný. Do dražby...

Češi bydlí na Papui již tři roky. Byl to ze začátku šok, ale nelitují

Manželé se rozhodli vydat za prací do zahraničí. Zlákala je Papua Nová Guinea, kde žijí od roku 2017. Nejdříve v městě...

Škoda nebude žádnou montovnou, říká Babiš. Nový šéf musí na kobereček

Premium Premiér Andrej Babiš a ministr průmyslu a obchodu Karel Havlíček chtějí vědět, jaká budoucnost čeká mladoboleslavskou...

VIDEO: Polský kamion nezpomalí ani úzký levý pruh na rozkopané D1

Dálniční pruh musí být široký minimálně 2,5 metru, což je pro mnoho aut na hranici bezpečnosti. Vždyť mrazírenský...