Kosmiczna stacja paliw

 

Nie każdy przyszły marsjański astronauta, tak jak ochotnicy w programie Mars One, chciałby dotrzeć do Czerwonej Planety z pustym zbiornikiem paliwa. Jednakże koszty potrzebne do przetransportowania odpowiednich ilości paliwa rakietowego na powierzchnię Marsa są ogromne. Rozwiązaniem dużo korzystniejszym ze względów ekonomicznych jak i perspektywicznym pod kątem rozwoju marsjańskiej kolonii byłoby wytworzenie paliwa rakietowego na powierzchni Marsa.

Naturalnym pierwszym kandydatem na paliwo rakietowe jest ciekły wodór, uzyskany w procesie elektrolizy wody. Marsjańska gleba bogata jest w wodę w stanie stałym. Regolit marsjański należałoby więc najpierw np. ogrzać w celu odparowania wody, po czym skroploną wodę poddać elektrolizie. Energię elektryczną potrzebną do przeprowadzenia

MarsGasStation
Wizja artystyczna instalacji do produkcji paliwa rakietowego na Marsie. Źródło

tego procesu można nietrudno pozyskać z instalacji fotowoltaicznej. Warto podkreślić, że w procesie elektrolizy wody powstaje również tlen który może być wykorzystany zarówno jako utleniacz paliwa jak i składnik mieszanki tlenowej dla astronautów.  Otrzymany w procesie elektrolizy wodór okazuje się jednak nie być optymalnym źródłem energii do napędzania, startujących z Marsa, statków kosmicznych.

Problem polega na tym, że wodór jako paliwo rakietowe, w celu zwiększenia gęstości energii, należy zmagazynować w stanie ciekłym. Utrzymywanie zaś ciekłego wodoru poniżej temperatury wrzenia jest zadaniem bardzo wymagającym. Wiąże się to z faktem, iż temperatura wrzenia wodoru jest niezwykle mała i równa (przy ciśnieniu atmosferycznym) około -253°C (20 K).  Co więcej, nawet w tych warunkach gęstość wodoru jest bardzo niska i pozostaje na poziomie  0,07 kg/litr.    Przygotowanie systemu który umożliwiłby utrzymanie wodoru w tak ekstremalnym stanie na powierzchni Marsa, przynajmniej na początkowym etapie rozwoju tamtejszej kolonii, byłoby zadaniem niesłychanie trudnym.

Z pomocą przychodzi jednakże jeszcze jeden składnik występujący dosyć obficie na Marsie, a mówiąc precyzyjniej tworzy jego atmosferę. Chodzi mianowicie o dwutlenek węgla, stanowiący około 95 % składu atmosfery, wytwarzającej na powierzchni Marsa ciśnienie około 6 hPa. Jest to ciśnienie porównywalne z tym występującym w ziemskiej stratosferze.

Wykorzystanie (uprzednio sprężonego) dwutlenku węgla w połączeniu z wodorem pozwala na przeprowadzenie tak zwanej reakcji metanacji, okrytej przez Paula Sabatiera, laureata Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii z 1912-ego roku. Reakcja ta, zwana reakcją Sabatiera, może zostać zapisana w postaci następującego równania:

CO_2 +4H_2 \rightarrow CH_4+2H_2O.   

Reakcja powyższa przebiega w sposób optymalny w temperaturze około 300-400°C i wymaga zastosowania odpowiedniej powierzchni pełniącej funkcję katalizatora (wykonanego np. z niklu lub rutenu).

Wytworzony w procesie Sabatiera metan stanowi dobrą alternatywę dla wodoru jako paliwa rakietowego. Przechowywanie ciekłego metanu jest znacznie łatwiejsze, gdyż temperatura jego wrzenia wynosi około -162°C (111 K) co jest prawie 100 K więcej niż temperatura wrzenia wodoru. Systemy przechowywania ciekłego metanu to bardzo dobrze rozwinięta technologia, stosowana powszechnie w różnych warunkach. Wynika to z faktu, iż zyskujący na coraz większej popularności LNG (ang. liquefied natural gas) to w głównej mierze metan.  Przechowywanie LNG wymaga zastosowania zbiornika kriogenicznego utrzymujący gaz we wspomnianej temp. około -160°C. Zbiorniki takie stosowane są zarówno w autobusach zasilanych przez LNG jak i w ogromnych gazowcach. Gazowce LNG z Kataru, USA czy też Norwegii przyjmowane są w Polsce przez  Terminal LNG w Świnoujściu mogący zmagazynować 320 000 m³ LNG. 

Wykorzystanie ciekłego metanu jako paliwa rakietowego w postaci mieszanki (tzw. methalox), zawierającej ciekły tlen jako utleniacz, zapowiedziała firma SpaceX w kontekście swoich planów eksploracji Marsa. Rozwijany przez SpaceX silnik Raptor przystosowany jest właśnie do pracy oparciu o methalox.  Opracowywana rakieta

SpaceX-carbon-fiber-fuel-tank-mars-spaceship
Wykona z włókna węglowego testowa wersja zbiornika na ciekły metan oraz ciekły tlen dedykowana do rakiety BFR. Źródło

BFR ma zawierać siedem takich silników oraz zbiorniki pozwalające zmagazynować 240 000 kg ciekłego metanu oraz 860 000 kg ciekłego tlenu. Gęstość ciekłego metanu to około 423 kg/m³, co daje objętość metanu w zbiorniku rakiety BFR równą około 567 m³. Ciekły metan który można zgromadzić we wspomnianym wcześniej terminalu LNG w Świnoujściu wystarczyłby na napełnienie zbiorników ponad pięciuset rakiet BFR! 

Warto podkreślić, że opisana tutaj reakcja metanacji, oprócz aplikacji kosmicznych, ma również potencjalnie szerokie zastosowanie na Ziemi. Reakcję tę stosuje się w szczególności w eksperymentalnych systemach typu Power-to-gasktóre pozwalają magazynować nadwyżki w produkcji energii w postaci metanu. Jest to podejście szczególnie obiecujące w kontekście energii elektrycznej pozyskiwanej z farm fotowoltaicznych które wytwarzają prąd w ciągu dnia. Bodajże najbardziej rozwinięty system tego typu został opracowany przez Audi w ramach rozwijanej technologii e-gas:

Kolejna ważna własność reakcji Sabatiera to możliwość przekształcania dwutlenku węgla w wodę i metan. Nadmierna emisja dwutlenku węgla  do atmosfery jest główną przyczyną obserwowanych zmian klimatycznych.  Wyobrazić możemy sobie technologię w której dwutlenek węgla z rekcji spalania np. w elektrowni węglowej podlega bezpośredniej konwersji w metan w wyniku reakcji Sabatiera. Otrzymany metan jest zaś na przykład wprowadzany do systemu dystrybucji gazu. Proces metanacji może więc pomóc w ograniczeniu emisji CO_2 i tym samy przyczynić się do spowolnienia postępujących zmian klimatycznych. 

Zanim powstanie marsjańska stacja wytwarzania metanu wraz z kosmiczną stacją paliw, pozwalającą napełnić zbiorniki rakiet ciekłym metanem, prototypowe instalacje tego typu muszą zostać zbudowane i dokładnie przetestowane na Ziemi. Miejmy nadzieję, że jedna z pierwszych takich kosmicznych stacji paliw powstanie i będzie testowana w Polsce. Warto pokreślić, że technologie takie jak opisany tu reaktor Sabatiera pozwolą nam nie tylko zdobywać Kosmos ale mogą nam również pomóc przetrwać na Ziemi.

© Jakub Mielczarek

2 thoughts on “Kosmiczna stacja paliw

  1. […] Jako przykład zastosowania wprowadzonych powyżej wielkości, rozważmy przygotowywany przez firmę SpaceX silnik Raptor. Silnik ten znajdzie zastosowanie w rakiecie Big Falcon Rocket (BFR),  która zostanie wykorzystana do lotów na Księżyc oraz na Marsa.  Silnik ten wykorzystuje jako paliwo ciekły metan, który razem z ciekłym tlenem (pełniącym rolę utleniacza) tworzy tak zwany Methalox, o który pisałem w artykule Kosmiczna stacja paliw. […]

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s