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.
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
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
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.
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.
