Đây là lý do tại sao SpaceX không sử dụng Hydro lỏng.
Tên lửa Starship mới của SpaceX sử dụng động cơ Raptor. Mê-tan lỏng và Oxy là nhiên liệu của động cơ này. Falcon 9 và Falcon Heavy sử dụng dầu hỏa (RP-1) làm nhiên liệu. Hơn nữa, trong một thời gian dài, Hydro đã được sử dụng trong nhiều tên lửa khác nhau. Nhưng SpaceX đã chọn Mê-tan cho Raptor của họ. Không có tên lửa nào khác từng sử dụng Mê-tan làm nhiên liệu tên lửa.
Đó là vì Hydro lỏng cần kiểm soát nhiệt độ cực cao, dễ rò rỉ, ít đặc hơn, do đó cần bình nhiên liệu lớn hơn, đắt hơn so với Mê-tan, không phù hợp với tên lửa tái sử dụng và nhiệm vụ lên sao Hỏa, cần luyện kim tiên tiến; do đó, nó làm tăng độ phức tạp và chi phí của tên lửa.
Hãy cùng giải thích rõ hơn.
SpaceX đã phát triển Raptor. Đây là động cơ chu trình đốt cháy toàn phần chạy bằng Mê-tan. Động cơ Raptor là động cơ chu trình đốt cháy toàn phần đầu tiên trong lịch sử từng được sử dụng trên tên lửa. Không có động cơ tên lửa nào sử dụng Mê-tan từng bay lên quỹ đạo ngoại trừ tên lửa SpaceX.
Starship của SpaceX là tên lửa sao Hỏa có thể tái sử dụng nhanh chóng. Tên lửa Falcon không thể tái sử dụng hoàn toàn. Trong khi tầng đầu tiên của tên lửa này có thể tái sử dụng, thì tầng trên thì không.
Một vấn đề khác với tên lửa Falcon 9 và Falcon Heavy là chúng không thể tái sử dụng nhanh chóng. Sau mỗi chuyến bay, tên lửa này cần được tân trang lại hoàn toàn trước khi SpaceX có thể sử dụng lại. Lý do chính là nhiên liệu của tên lửa Falcon là Kerosene (RP-1). Nhiên liệu bị đốt cháy để lại muội than trong khoang động cơ Merlin, khiến việc tái sử dụng trở nên khó khăn hơn nếu không được vệ sinh kỹ lưỡng.
Kế hoạch Sao Hỏa của SpaceX:
Như đã đề cập trước đó, Elon Musk muốn đến Sao Hỏa. Một tàu vũ trụ sẽ mất hơn 6 tháng để đến Sao Hỏa từ Trái Đất. Chuyến đi khứ hồi là 12 tháng.
Chúng ta biết rằng bầu khí quyển Sao Hỏa có CO2 và có nước đóng băng trong lòng đất. Trên Sao Hỏa, chúng ta có thể tạo ra Mê-tan (CH4) bằng những nguồn tài nguyên này.
Đầu tiên, thông qua quá trình điện phân, chúng ta có thể phân tách nước (H2O) thành Hiđrô (H2) và Ôxy (O2).
2H2O = O2 + 2H2
Oxy và Hydro sẽ được thu thập trong các thùng chứa riêng biệt. Con người sẽ sử dụng Oxy được tạo ra trong bước này.
Ở bước tiếp theo, thông qua một quá trình hóa học được gọi là quá trình Sabatier, Carbon dioxide (CO2) và Hydrogen (H2) sẽ tạo ra Methane (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Methane (CH4) và nước sẽ được thu thập trong các thùng chứa riêng biệt. Starship sẽ sử dụng Methane (CH4) và Oxygen (O2) làm nhiên liệu. Người sao Hỏa có thể uống nước (H2O) được tạo ra trong bước này hoặc sử dụng nó để tạo ra Oxy và Hydrogen.
Các phi hành gia đã sử dụng các bước này để tạo ra Oxy từ nước và loại bỏ Carbon Dioxide tại Trạm vũ trụ quốc tế (ISS). Vì quy trình này đã được thử nghiệm; do đó, chúng ta cũng có thể sử dụng nó trên sao Hỏa. Sự khác biệt duy nhất là, ISS giải phóng Methane (CH4) vào không gian bên ngoài, trong khi trên sao Hỏa, chúng ta sẽ thu thập nó vào các thùng chứa làm nhiên liệu tên lửa.
Trong quy trình được mô tả ở trên, chúng ta có thể tạo ra cả Methane (CH4) và Hydrogen (H2).
Dầu hỏa (RP-1) Methane Hydrogen
Mật độ 813 g/L 422 g/L 70 g/L
Tỷ lệ chất oxy hóa so với nhiên liệu 2,7 : 1 3,7 : 1 6 : 1
Hiệu suất 370 giây 459 giây 532 giây
Nhiệt độ cháy 3670 K 3550 K 3070 K
Điểm sôi 490 K 111 K 20 K
Sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy CO2, H2O và muội đen. CO2 và H2O H2O
Có thể sản xuất trên sao Hỏa Không Có Có
Trong tên lửa, hiệu suất của động cơ được đo bằng xung lực riêng (ISP).
Một phép so sánh đơn giản sẽ là MPG của xe chạy bằng xăng của chúng ta. MPG của một chiếc xe càng cao thì quãng đường mà nó có thể đi được với 1 gallon xăng càng nhiều và hiệu quả càng cao.
Bây giờ, hãy giả sử rằng chúng ta có 1 pound nhiên liệu tên lửa. Có thể là Dầu hỏa (RP-1), Mê-tan (CH4) hoặc Hiđrô (H2).
ISP được đo bằng giây. Đây là phép đo thời gian mà động cơ có thể đẩy với lực 9,8 newton với một lượng nhiên liệu cố định. Nó có thể đẩy càng cao với lực 9,8 newton với cùng một lượng nhiên liệu thì hiệu suất hoặc ISP càng cao.
Nếu chúng ta có một động cơ tên lửa với ISP 100 giây và một động cơ khác với ISP 150 giây, thì động cơ thứ hai với ISP 150 giây sẽ hiệu quả hơn vì nó có thể thực hiện nhiều công việc hơn với cùng một lượng nhiên liệu.
Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy rằng Hydro hiệu quả hơn so với Mê-tan. Tuy nhiên, Hydro có một số vấn đề.
SpaceX muốn tên lửa của họ đơn giản, rẻ và đáng tin cậy. Theo Elon Musk, "phần tốt nhất là không có phần nào; quá trình tốt nhất là không có quá trình nào cả.”
Mặc dù Hydro hiệu quả hơn so với các nhiên liệu tên lửa khác, nhưng nó làm tăng thêm tính phức tạp cho động cơ tên lửa và thiết kế tên lửa.
Hydro là chất lỏng đông lạnh. Điểm nóng chảy của nó là -259° C hoặc -435°F, và điểm sôi của nó là -252°C hoặc -423°F. Hydro cần được lưu trữ ở nhiệt độ cực lạnh để giữ ở dạng lỏng. Vì lý do này, tên lửa hydro cần được cách nhiệt xung quanh các thùng chứa, do đó làm tăng trọng lượng tên lửa, tính phức tạp trong sản xuất và chi phí.
Hơn nữa, các vấn đề khác phát sinh do điểm sôi thấp của Hydro.
Trong chuyến đi dài đến Mặt trăng và Sao Hỏa, Hydro sẽ sôi và bốc hơi. Hơn nữa, trong quá trình Trái đất tái nhập vào Starship, nhiệt sinh ra sẽ gây ra thách thức kỹ thuật đáng kể để giữ cho Hydro lỏng được sử dụng trong bình nhiên liệu.
Tuy nhiên, Methane không gặp phải những vấn đề này.
Giòn do hydro là một vấn đề nghiêm trọng. Khi kim loại tiếp xúc với Hydrogen lạnh, kim loại sẽ trở nên giòn. Do đó, thiết kế tên lửa tái sử dụng sử dụng Hydrogen rất phức tạp và đầy thách thức. Động cơ Hydrogen cần có ngành luyện kim tiên tiến để ngăn ngừa hiện tượng giòn này.
Methane (CH4) không tạo ra vấn đề giòn này.
Mật độ của Hydrogen là 70 g/L. Ngược lại, mật độ của Metan là 422 g/L. Do đó, bình nhiên liệu của tên lửa hydro cần phải lớn hơn đáng kể so với tên lửa chạy bằng Metan. Bình lớn có nghĩa là tên lửa nặng hơn.
Do đó, tên lửa chạy bằng Metan sẽ nhẹ hơn so với tên lửa chạy bằng Hydrogen.
Hydrogen là phân tử nhỏ nhất trên trái đất. Nó dễ bị rò rỉ, chủ yếu là qua các mối hàn của bình nhiên liệu. Do đó, cần phải có độ chính xác và sự quan tâm đặc biệt để làm cho bình nhiên liệu không bị rò rỉ.
Metan không gặp phải vấn đề rò rỉ này.
Hydro cũng đắt hơn so với Methane (CH4).
Như chúng ta có thể thấy, mặc dù Hydrogen hiệu quả hơn, nhưng nó có nhiều nhược điểm.
Do đó, SpaceX cần một động cơ tên lửa không có những vấn đề này.
Khi họ bắt đầu thiết kế động cơ, SpaceX không muốn mạo hiểm tạo ra một loại động cơ hoàn toàn mới mà không ai phát triển. Do đó, họ quyết định sử dụng Kerosene (RP-1) cho tên lửa Falcon của mình. Khi họ thành công với động cơ Marlin, họ bắt đầu R&D cho Raptor chạy bằng Methane.
Tóm lại, Methane lỏng (CH4) có một số lợi thế so với Hydrogen lỏng. Nó dễ lưu trữ hơn. Một hệ thống làm mát thụ động đủ để giữ Methane ở nhiệt độ đông lạnh, đặc hơn đáng kể so với Hydrogen. Bình nhiên liệu tên lửa chạy bằng Methane nhỏ hơn và ít cồng kềnh hơn. Đó là lý do tại sao SpaceX sử dụng Methane và không sử dụng Hydrogen.
