Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 3 (vyšlo 17. ledna, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Dostane nás metan na Mars?

Vilém Boušek

První lidmi vyrobený stroj, jenž překonal tzv. Karmánovu hraniciKarmánova hranice – pomyslná hranice mezi zemskou atmosférou a kosmickým prostorem. Je definována jako výška, ve které rychlost potřebná k udržení hladiny letu pomocí vztlaku křídel dosahuje orbitální rychlosti. Hodnota Karmánovy hranice – 100 km – je definitorickým kompromisem mezi hodnotami kolísajícími podle aktuálního stavu ovzduší a parametrů letadla. mezi zemskou atmosférouAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. a kosmickým prostorem (nachází se ve výšce 100 km) byla roku 1944 první balistická raketa V2 sestrojená týmem Wernera von Brauna. Jako palivo byla používána směs etanolu a vody (74 % etanol, 26 % voda), jako okysličovadlo kapalný kyslík. Dolet rakety byl přibližně 340 km a jejím hlavním úkolem bylo bombardování jižní Anglie za druhé světové války. Během 50. a 60. let, kdy probíhaly závody o „dobytí vesmíru“ mezi Amerikou a Sovětským svazem se již jako palivo používal kapalný vodík nebo kerosin, v obou případech s kapalným kyslíkem jako okysličovadlem. Tato paliva jsou používána dodnes, razantní změnu by mohlo přinést až zavedení nového paliva, kapalného metanu.

Start rakety V2 z Peenemünde

V letech 1942 až 1945 bylo Němci odpáleno přes 3 000 raket V2. Tato raketa byla prv­ním krokem pozdějších vesmírných závodů Spojených států a Sovětského sva­zu o dobytí Měsíce. Zdroj: Německý spolkový archiv.

Karmánova hranice – pomyslná hranice mezi zemskou atmosférou a kosmickým prostorem. Je definována jako výška, ve které rychlost potřebná k udržení hladiny letu pomocí vztlaku křídel dosahuje orbitální rychlosti. Hodnota Karmánovy hranice – 100 km – je definitorickým kompromisem mezi hodnotami kolísajícími podle aktuálního stavu ovzduší a parametrů letadla.

Specifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda.

Metan – nejjednodušší uhlovodík, CH4. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn.

Ciolkovského rovnice

Říká se, že každý vzoreček v textu odradí polovinu čtenářů. V tomto případě bychom ale měli udělat výjimku, protože Ciolkovského rovnice popisující pohyb objektu s proměnnou hmotností je alfou i omegou snah dostat družici na oběžnou dráhu nebo změnit rychlost sondy raketovými motory. Zanedbáme-li vliv atmosféry, je změna rychlosti rakety ΔV přímo úměrná jednak rychlosti výtokových plynů U a jednak logaritmu poměru počáteční a koncové hmotnosti M0/M. Matematicky lze tento vztah zapsat jednoduchou formulkou

ΔV = U ln (M0/M) − gt,

kterou odvodil ruský vědec Konstantin Eduardovič Ciolkovskij koncem 19. století. Poslední člen popisuje vliv tíhového zrychlení a uplatňuje se jen při startu rakety v zemské tíži. Z hlediska získání co možná nejvyšší rychlosti je důležitá rychlost výtokových plynů (ta je daná specifickým impulzemSpecifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda. motorů) a také koncová hmotnost M, proto se mimo jiné stavějí několikastupňové rakety (dalším důvodem je optimalizace motorů pro práci v atmosféře a ve vakuu). Co si pod ní ale představit? Pod koncovou hmotnost spadá hmotnost rakety bez paliva neboli hmotnost nákladu, zásob, astronautů, raketového motoru, baterií, zdroje elektrické energie a samozřejmě nádrží, ve kterých bylo palivo.

Konstantin Eduardovič Ciolkovskij

Konstantin Eduardovič Ciolkovskij, zakladatel kosmonautiky. Spála ho téměř
připravila o sluch. Byl vynálezcem, učitelem a vědcem. Zdroj: 100+1.

Metan jako palivo

Palivo je nejdůležitější součástí každého letu do vesmíru, proto nyní porovnejme vlastnosti jednotlivých paliv a metanuMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH4. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn.. Uveďme na úvod jeden jednoduchý příklad. Kapalný metan má vyšší hustotu než kapalný vodík a poměr okysličovadla ku palivu je také nižší, proto by při stejné hmotnosti paliva postačila raketoplánu hlavní palivová nádrž s třetinovým objemem. Použití metanu tedy zcela mění prostorové a hmotnostní dispozice vesmírného letu. Jaké parametry hrají u paliva hlavní roli?

  1. Hustota (udává se zpravidla v gramech na litr g/l). Čím vyšší hustota, tím je zapotřebí nádrž s menším objemem, například kapalný kyslík má hustotu kolem 1 140 g/l.
  2. Spalovací poměr. Jde o poměr hmotností okysličovadla a paliva. Čím nižší hodnota, tím je třeba méně kapalného kyslíku a let je méně náročný.
  3. Specifický impulzSpecifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda.. Popisuje účinnost raketového motoru, čím vyšší hodnota, tím efektivněji se energie paliva využije k urychlení rakety.
  4. Teplota spalování. Nižší hodnota klade menší nároky na chlazení motoru.
  5. Bod varu paliva. Vyšší hodnota je příznivější, například je snazší udržet v kapalném stavu kerosin než vodík.
  6. Spaliny. Jejich složení je podstatné z hlediska zanášení motoru při hoření paliva.
  7. Dostupnost mimo Zemi. U dálkových misí, například k Marsu, je klíčovou otázkou, zda je možné palivo získat nebo vyrobit mimo Zemi.

V následující tabulce převzaté z Everyday Astronaut jsou uvedeny a porovnány základní parametry pro kerosin, metan a vodík. Jak je patrné, ani v jednom z parametrů metan nevítězí, a i přesto by se mohl stát palivem blízké budoucnosti. Tekutý metan v sobě totiž kombinuje přednosti vodíku i kerosinu a jako bonus je jeho bod varu podobný bodu varu kapalného kyslíku, tedy chlazení nádrží bude jednotné pro obě složky paliva a jednodušší než u kapalného vodíku.

  kerosin metan vodík
hustota (g/l) 813 422 70
spalovací poměr 2,7 3,7 6
specifický impulz (N·s/kg) 3 630 4 500 5 220
teplota spalování (K) 3 670 3 550 3 070
bod varu paliva (K) 490 111 20
spaliny CO2, H2O, C CO2, H2O H2O
dostupnost mimo Zemi ne ano ano
Graf spotřeby paliva

Výšky pravých sloupců grafu ukazují, kolik litrů paliva se spotřebuje na litr kapalného kyslíku. V dolní části sloupců jsou uvedeny hustoty jednotlivých palivových složek, pod sloupci spalovací poměr. Zdroj: Everyday Astronaut.

Falcon 9 a Delta IV

Přibližný poměr velikostí nádrží v raketách Falconu 9 a Delta IV Medium (Delta IV má větší průměr o 1,3 metru a při startu používá přídavné motory na pevné palivo). Zdroj: Everday Astronaut.

Další výhody

Tekutý metan je „zlatou střední cestou“ mezi vodíkem a kerosinem, zjednodušuje chlazení nádrží a snižuje náklady na stavbu raket. Má ale ještě jednu podstatnou výhodu: můžeme si jej vyrobit i jinde než na Zemi, jen za použití vody, oxidu uhličitého a elektřiny. Proč s sebou vozit a celé měsíce skladovat tuny paliva, když si jej můžeme doplnit třeba na Marsu. Celá mise se tím mnohonásobně zlevní a bude i bezpečnější. Zdá se tedy, že využití metanu jakožto raketového paliva pro nejrůznější vesmírné mise, například letu člověka k Marsu, je otázkou blízké budoucnosti. K raketovým motorům, které používají jednotlivé vesmírné agentury, se vrátíme v některém z příštích bulletinů.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage