W lutym 2018 roku oglądaliśmy spektakularny start rakiety "Falcon Heavy" Elona Muska. Główny jej człon niestety nie wylądował pomyślnie. Zabrakło mieszanki paliwowej potrzebnej do lądowania. Zapas paliwa jest kluczowym elementem pomyślności lotów kosmicznych. Jedno z rozwiązań tego problemu opisuje Jakub Mielczarek, fizyk z UJ, autor bloga Science-Technology-Future.

#blogUJnauka
"Science – Technology - Future" to jeden z kilkunastu blogów naukowych prowadzonych przez studentów i naukowców z UJ.
Nie ma tam jeszcze Twojego bloga? Przydałoby Ci się wsparcie i promocja – napisz: nauka@uj.edu.pl

Więcej o nauce?! Dołącz do profilu strony. www NAUKA.uj.edu.pl na Facebooku 

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.

Może wodór?

Pierwszym kandydatem na paliwo rakietowe jest ciekły wodór, uzyskany w procesie elektrolizy wody. Marsjańska gleba bogata jest w wodę w stanie stałym. Luźną, powierzchniową skałę marsjańską (regolit) należałoby więc najpierw na przykład ogrzać w celu odparowania wody, po czym skroploną wodę poddać działaniu energii elektrycznej, pozyskanej choćby z instalacji fotowoltaicznej. Warto podkreślić, że w takim procesie elektrolizy wody powstaje również tlen, który może być wykorzystany zarówno jako składnik niezbędny do spalania paliwa (utleniacz) w silnikach, jak i składnik mieszanki tlenowej dla astronautów. Otrzymany w procesie elektrolizy wodór nie jest jednak optymalnym źródłem energii do napędzania, startujących z Marsa, statków kosmicznych.

Problem polega na tym, że wodór jako paliwo rakietowe, 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 wynosi (przy ciśnieniu atmosferycznym) około -253°C (20 K).  Przygotowanie systemu który umożliwiłby utrzymanie wodoru w tak ekstremalnym stanie na powierzchni Marsa, przynajmniej na początkowym etapie rozwoju tamtejszej kolonii, byłoby zadaniem niesłychanie trudnym.

Niezbędny dodatek

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 tej planety.

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 roku. Reakcja ta, zwana reakcją Sabatiera, może zostać zapisana w postaci następującego równania:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂0.

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), prawie 100°C więcej niż temperatura wrzenia wodoru. Systemy przechowywania ciekłego metanu to bardzo dobrze rozwinięta technologia, stosowana powszechnie w różnych warunkach. Zbiorniki takie stosowane są zarówno w autobusach zasilanych przez LNG (ang. liquefied natural gas – jest nim głównie metan)  jak i w ogromnych statkach do transportu gazu, zwanych gazowcami.

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.  Projektowana rakieta 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 w terminalu LNG w Świnoujściu wystarczyłby na napełnienie zbiorników ponad pięciuset rakiet BFR! 

Nie tylko w kosmosie

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-gas, które pozwalają magazynować nadwyżki energii elektrycznej w postaci metanu.

Kolejna ważna własność reakcji Sabatiera to możliwość przekształcania dwutlenku węgla w wodę i metan. Nadmierna emisja dwutlenku węgla  do atmosfery jest główną przyczyną 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 CO₂ i tym samym przyczynić się do spowolnienia postępujących zmian klimatycznych.

Zanim powstanie marsjańska stacja wytwarzania metanu wraz z kosmiczną stacją paliw, pozwalającą napełnić zbiorniki rakiet tym związkiem chemicznym, prototypowe instalacje muszą zostać zbudowane i dokładnie przetestowane na Ziemi. Warto pokreślić, że technologie takie jak opisany tu reaktor Sabatiera pozwolą nam nie tylko zdobywać Kosmos, ale mogą nam również pomóc przetrwać na Ziemi.

Tekst ukazał się pierwotnie w nieco zmienionej wersji na blogu Science - Technology - Future
Zmiany, śródtytuły i pogrubienia pochodzą od redakcji www.nauka.uj.edu.pl
Ilustracja przedstawiająca artystyczną wizję zbiorników paliwowych na Marsie za: NASA/John Frassanito and Associates

-------------------------------------

Inne teksty blogowe - #blogUJnauka

• Kurczak o zapachu basenu
• Dobroduszny?! Niekoniecznie. Sekretna historia świętego Mikołaja
• Silmido – wyspa zabójców Kim Ir Sena