Verwendung von Wasser als speicherbares Hydro-Lox-Treibmittel mit hoher Dichte
Hydro / lox ist eine ausgezeichnete Kraftstoffauswahl und wurde in vielen Triebwerken / Raketen mit hohen ISP-Anforderungen verwendet. Die beiden größten Nachteile des Treibmittels sind jedoch seine Dichte und sein Verdampfen. Könnte dies gelöst werden, indem das Treibmittel als Wasser bei atmosphärischem Druck gespeichert und dann mithilfe von Sonnenkollektoren oder sogar RTGs die Energie erzeugt wird, die erforderlich ist, um Wasser durch Elektrolyse in 2H / O umzuwandeln. Dies hätte den Nachteil, dass es stöchiometrisch und nur mit einer großen Stromquelle im Verhältnis zum Motor verbrannt werden müsste, was möglicherweise seine Verwendung auf Raumsonden beschränkt. Könnte dies möglicherweise Ionenmotoren als kostengünstige Alternative mit hohem T / W ersetzen?
Antworten
Das Ziel der Verbrennung von chemischem Treibmittel besteht darin, chemische Energie in Wärme umzuwandeln und diese Wärme zur Beschleunigung des Treibmittels zu verwenden. Wenn Sie mit elektrischer Energie beginnen, haben Sie keinen Grund, die Energie, die Sie in eine bestimmte Treibstoffmasse einbringen, auf das zu beschränken, was Sie als chemische Energie darin speichern können: Erhitzen Sie einfach Wasser direkt, und Sie können Temperaturen erreichen, die bei der Verbrennung nicht erreicht werden können. t zu erreichen, übertrifft ein Hydrolox-Triebwerk. Erhitze es genug und du dissoziierst das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch der spezifische Impuls weiter verbessert wird, indem das durchschnittliche Molekulargewicht verringert wird. Ein Beispiel hierfür ist die von Momentus entwickelte Triebwerkstechnologie mit Mikrowellenerwärmung:https://momentus.space/
Wenn Sie mehr Schub als Treibmittelwirkungsgrad benötigen, können Sie mit einer niedrigeren Temperatur und einem höheren Massendurchsatz arbeiten. In diesem Fall kann eine einfache Widerstandsheizung ausreichen ... ein Resistojet.
Teilantwort:
Wenn man Solarstrom hat, kann man jedes Kilogramm Treibmittel viel effektiver nutzen (dh höheres Delta-V durch einen höheren Isp), wenn es ionisiert und beschleunigt wird. Die elektrostatische Beschleunigung kann eine Geschwindigkeit von ungefähr 10.000 bis 100.000 m / s (oder möglicherweise höher (entschuldigen Sie das Wortspiel)) gegenüber etwa 4500 m / s von einem 2H2 + O2-Chemiemotor verleihen.
Während Sie dies tun könnten (es gibt keinen fundamentalen Grund, warum nicht), wäre es viel besser, etwas Krypton oder sogar Jod zum Ionisieren zu bringen, als Wasser zum Spalten und Reformieren.
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Ja, und es gab Pläne für gewerbliche Fracht, Wasser an ein Gateway zu liefern, wo es durch Elektrolyse aufgeteilt wird, um Treibmittel für ein wiederverwendbares Abstiegs- / Aufstiegsfahrzeug zu erzeugen.
Während die Elektrolyse energieintensiv ist, kann das Wasser über einige Monate aufgeteilt und gespeichert werden, bis es in Minuten verbraucht ist. Bei einem solchen wiederverwendbaren System ist die Masse der Solarmodule, der Elektrolyse-, Kühl- und Speicherausrüstung gleich eins -off Kosten für das Gateway, nicht eine, die für das (relativ) Fahrzeug mit hohem Schub bezahlt werden muss.
Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit elektrischer Energie ist sehr ineffizient. Der Innenwiderstand der Elektrolysezelle verursacht einen großen Leistungsverlust. Der Widerstand kann verringert werden, indem der Abstand zwischen beiden Elektroden verringert wird. Für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff benötigen Sie jedoch einen Mindestabstand.
Durch Elektrolyse erhalten Sie gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Hydrolox-Raketentriebwerk ist jedoch für Flüssigkeiten und nicht für Gase ausgelegt. Die notwendige Kühlung der Brennkammer erfolgt ausschließlich durch Flüssigkeiten. Die Turbopumpen arbeiten nicht mit Gasen.
Flüssigkeiten kühlen viel besser als Gase. Der VW-Käfermotor war der einzige, der Luftkühlung zwischen vielen anderen wassergekühlten Automotoren verwendete. Kein moderner Automotor verwendet Luftkühlung.
Das Abgas eines Hydrolox-Raketentriebwerks besteht aus extrem heißem Wasserdampf, sodass die Verwendung eines elektrisch beheizten Dampfraketenmotors einfacher und effizienter ist. Das Erreichen einer vergleichbaren Dampftemperatur ist jedoch nicht einfach
Flüssigkeiten kühlen viel besser als Gase. Der VW-Käfermotor war der einzige, der Luftkühlung zwischen vielen anderen wassergekühlten Automotoren verwendete. Kein moderner Automotor verwendet Luftkühlung.
(Sorry, habe hier nicht den Ruf zu kommentieren). Ich kann mir zwei andere luftgekühlte Automotoren vorstellen: Porsche und Corvair. Vergessen wir auch heute noch nicht alle luftgekühlten Triebwerke! Luftgekühlte Motoren waren viel leichter und einfacher. Der einzige Grund, warum Sie sie in Autos nicht mehr sehen, ist, dass es schwierig ist, ihre Betriebstemperatur zu kontrollieren (im Vergleich zu wassergekühlt), was zu einer viel höheren Schadstoffemission führt.
In den meisten Szenarien kann ich mir nicht vorstellen, dass der zusätzliche ISP von Hydrolox die zusätzliche Ausrüstung wert ist, die Sie tragen müssen, um dies zu erreichen.
Ich sehe jedoch eine Mission: Hüpfen zwischen Körpern in der Oort-Wolke. Der Schlüssel ist, dass Sie das Wasser nicht tragen, sondern es an jedem Ziel abbauen. Ob es eine Mission gibt, bei der sie nahe genug beieinander liegen, um dies praktisch zu machen, ist jedoch eine ganz andere Frage ...