Liệu phương trình tên lửa có thể thay đổi toán học thị trường hydro không?
Tennant Reed
Giám đốc - Biến đổi khí hậu và năng lượng tại Tập đoàn công nghiệp Úc (Ai Group)
Trong số nhiều bảng tính gian lận của tôi có một bảng tính mà tôi theo dõi các ước tính khác nhau về quy mô tiềm năng của thị trường hydro sạch toàn cầu - bao gồm cả của riêng tôi. Những con số này dao động từ nhu cầu hydro phát thải cao hiện nay là 100 triệu tấn mỗi năm (mtpa) cho đến 520mtpa trong Kịch bản phát thải ròng bằng không của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), hoặc thậm chí cao hơn đối với những người thực sự lạc quan. Nhưng trọng tâm thường là các lập luận về lượng hydro có thể cần cho thép, hoặc vận tải hạng nặng, hoặc nhiệt chất lượng cao. Gần đây, tôi đã có cảm hứng để xem xét liệu ngành công nghiệp phóng tàu vũ trụ có thể trở thành một thuật ngữ quan trọng trong dự báo tăng trưởng thị trường hydro sạch toàn cầu hay không.
Ngày nay, nguồn cầu này thật nực cười, một phần vì không có nhiều vụ phóng và một phần vì không sử dụng hydro sạch - không phải tất cả nhiên liệu tên lửa đều là H2, và hydro về cơ bản là toàn bộ H2 xám từ quá trình cải tạo mêtan mà không có Thu giữ và Lưu trữ Carbon.
Nhưng những người đam mê không gian và các công ty khởi nghiệp rất hy vọng rằng vụ phóng có thể phát triển như vũ bão, với các tên lửa thương mại có khả năng tái sử dụng cao mới cắt giảm chi phí và mở ra nhu cầu mới. Vậy thì hy vọng tăng trưởng phóng lớn nhất trong số các hy vọng tăng trưởng phóng lớn nhất: Starship + Super Heavy của Elon Musk, hoạt động với tốc độ phóng phù hợp với hy vọng thuộc địa hóa sao Hỏa của ông thì sao?
Hydro và mêtan, trời ơi!
Starship cần 4500 tấn chất đẩy methalox (nhiên liệu mêtan lỏng & chất oxy hóa oxy lỏng) cho mỗi lần phóng lên Quỹ đạo Trái đất Thấp (LEO), hoặc 1200 tấn dành cho tầng trên có thể, một ngày nào đó, sau khi được tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo, sau đó hướng đến Sao Hỏa. (Hiện tại, chỉ cần đưa Starship đến LEO và quay trở lại mà không phát nổ là tốt rồi!)
22% khối lượng chất đẩy là mêtan.
25% khối lượng mêtan là hydro.
Vì vậy, Starship cần 250 tấn hydro cho mỗi lần phóng.
Tại sao tôi lại nói về nhu cầu hydro khi nhiên liệu là mêtan, và mêtan dễ dàng được mua trên Trái đất dưới dạng khí đốt tự nhiên? Bởi vì:
Đốt mêtan hóa thạch tạo ra nhiều carbon dioxide làm tăng tốc quá trình biến đổi khí hậu, và Musk vẫn là một người của khí hậu; và
Mêtan có thể được tổng hợp thông qua quy trình Sabatier, sử dụng hydro được tạo ra bằng cách điện phân nước, CO2 thu được trong không khí và một lượng điện lớn. Quy trình này là cốt lõi trong kế hoạch tiếp nhiên liệu trên sao Hỏa của Musk, và Musk là một người cực kỳ vĩ đại của sao Hỏa.
Vì vậy, tôi sẽ cho rằng các kịch bản Starship cực đại với các yêu cầu công nghệ phóng cực kỳ lạc quan cũng liên quan đến các kế hoạch tổng hợp mêtan lạc quan như vậy. Kết quả thực tế có thể khác nhau!
Musk hy vọng rằng việc đưa 1 triệu người và 1 triệu tấn hàng hóa lên sao Hỏa sẽ đủ để thiết lập một thành phố tự cung tự cấp. (Có thể lắm! Ai mà biết được? Chúng ta không có thành phố tự cung tự cấp nào trên Trái Đất!)
Cần bao nhiêu lần phóng để đưa 1 triệu người và 1 tấn hàng hóa lên Sao Hỏa?
Rất rất rất nhiều lần phóng tên lửa
Phiên bản đầu tiên của Starship dự định đưa 100 tấn hàng hóa, hoặc có thể là 100 người rất háo hức, lên LEO. Sau đó, sức chứa hàng hóa có thể tăng lên 150 tấn. Giả sử (một cách hoang đường) rằng các chuyến bay chở khách có thể chở 100 người với đủ sự hỗ trợ sự sống, lá chắn bức xạ và bộ dụng cụ để đưa những người thực dân háo hức này lên Sao Hỏa trong tình trạng hợp lý sau 80-150 ngày trong không gian sâu thẳm.
1 triệu người là 10.000 chuyến bay chở khách. 1 tấn hàng hóa là 10.000 chuyến hàng hóa, mỗi chuyến 100 tấn, hoặc 6.667 chuyến hàng, mỗi chuyến 150 tấn.
Nhưng một chuyến đi đến sao Hỏa cần cả hàng hóa và con người ở LEO và tiếp nhiên liệu mới ở LEO, được vận chuyển bằng tàu chở dầu Starship, cho hành trình dài đến sao Hỏa. Nhiều lần phóng hơn!
Ban đầu, điều đó có nghĩa là 13 lần phóng cho mỗi 100 người hoặc 100 tấn hàng hóa đến sao Hỏa: 1 lần với tải trọng hoặc người định cư và 12 tàu chở dầu để tiếp nhiên liệu đầy đủ cho tầng trên của Starship ở LEO bằng nhiên liệu 1200 tấn, không tính đến khả năng mất mát.
Nếu sức chứa hàng hóa của Starship tăng lên 150 tấn cho mỗi chuyến bay, thì số lần phóng sẽ giảm xuống còn 9 lần cho mỗi 100 người hoặc 150 tấn hàng hóa đến sao Hỏa.
Vậy thì! Chúng ta đang xem xét đâu đó giữa 133.334 lần phóng (mức tối thiểu tuyệt đối với khả năng suy đoán) và 260.000 lần phóng (dựa trên khả năng ban đầu ít đàn hồi hơn của Starship nhưng vẫn chưa được chứng minh). Gâu gâu.
Musk đã nói về việc tăng tốc độ phóng lên một đội tàu gồm 10 Starship, mỗi lần phóng 3 lần mỗi ngày. Điều đó có nghĩa là 10.950 chuyến bay mỗi năm và khoảng 1-1,5 tấn hàng hóa (hoặc 1 triệu người) lên LEO. Điều đó sẽ khá tuyệt vời; Falcon 9 hiện tại của SpaceX đã chứng kiến các tầng đầu tiên được quay vòng chỉ trong vòng 3 tuần giữa các chuyến bay, nhưng tầng trên của Starship sẽ phải phanh khí động học từ tốc độ cao hơn nhiều và dựa vào các tấm bảo vệ nhiệt mỏng manh để làm như vậy. Nhưng hãy thừa nhận tốc độ phóng này! Điều đó có nghĩa là toàn bộ chương trình thuộc địa hóa sao Hỏa sẽ mất ít nhất 14 năm (với sức chứa hàng hóa 150 tấn) hoặc ít nhất 24 năm (với sức chứa hàng hóa 100 tấn).
Suy đoán hoang dã do SpaceX cung cấp
Một thanh bên: Nếu không có chương trình sao Hỏa, mọi người có thể muốn làm gì để đưa 1-1,5 tấn hàng hóa lên LEO mỗi năm? Như
Biểu đồ Musk ở trên ghi chú, khối lượng tích lũy lên quỹ đạo từ năm 1957 đến năm 2022 chỉ là 15kt! Thị trường cho tất cả các khách hàng phóng hiện tại sẽ bão hòa ở một phần nhỏ tốc độ phóng giả định này. Sẽ cần các ứng dụng mới:
Du lịch quỹ đạo đại trà? Có thể! Khoảng 100.000 người mỗi năm đã đến thăm Nam Cực trong những năm gần đây, mặc dù chi phí để lên quỹ đạo có thể lạc quan hơn từ 5 lần đến 100 lần (xem bên dưới), không bao gồm chi phí cho khách sạn quỹ đạo hoặc bất cứ thứ gì.
Vệ tinh năng lượng mặt trời? Musk ghét những thứ này và ông ấy có thể đúng! Nhưng đó là một bài viết hoàn toàn khác.
Sản xuất quỹ đạo? Jeff Bezos thường gọi đây là hợp lý và ông ấy có thể sai! Cũng là một bài viết khác!
Các loại vật dụng quân sự mới? Hợp lý hơn. Mặc dù khả năng thay thế vệ tinh nhanh chóng có thể hợp lý hơn là cố gắng củng cố những gì ở đó…
Dù sao đi nữa, phải có rất nhiều thứ để biến khát vọng về tốc độ phóng Starship khổng lồ thành hiện thực. Nói gì thì nói về một chuyến vận chuyển hàng hóa lớn trên sao Hỏa, ít nhất thì nó cũng biện minh cho số lượng lớn các chuyến phóng!
Được rồi nhưng còn hydro thì sao? Đây là về hydro, nhớ không?
Ồ vâng, hydro. 260.000 lần phóng sẽ cần 64,4 Mt hydro để tạo ra 257 Mt mêtan tổng hợp. Hoặc ở sức chứa hàng hóa cao hơn, 150.000 lần phóng sẽ cần 37,1 Mt H2 cho 148,5 Mt CH4. Tất nhiên đó chỉ là yêu cầu của Trái Đất; H2 và CH4 bổ sung sẽ phải được sản xuất ở đầu sao Hỏa để tiếp nhiên liệu. Tôi sẽ không tính toán điều đó vì tôi quan tâm đến thị trường hydro trên Trái Đất; nhưng tôi sẽ nói rằng:
Sẽ cần ít nhiên liệu hơn ở đầu sao Hỏa vì vận tốc thoát khỏi sao Hỏa thấp hơn và có thể không có hàng hóa trở về ngoài những người định cư bị cuốn trôi; và
Việc tạo ra tất cả nhiên liệu đó trên sao Hỏa sẽ không phải là nhiệm vụ dễ dàng!
10.950 lần phóng mỗi năm sẽ có nghĩa là nhu cầu H2 là 2,8Mt và nhu cầu methane là 10,8Mt mỗi năm. Nhu cầu hydro đó sẽ đáng chú ý trên toàn cầu nhưng khó có thể chuyển đổi, xét đến nhu cầu H2 xám hiện tại là 100Mtpa và nhu cầu hydro sạch trong tương lai có thể lớn hơn nhiều - như 520Mtpa vào năm 2050 trong Kịch bản Net Zero của IEA.
Khi nào thì nhiều hydro không phải là nhiều hydro?
Nếu Starship không tạo ra khí mê-tan tổng hợp đắt tiền bằng cách sử dụng H2 điện phân và carbon thu được từ không khí, mà sử dụng khí mê-tan hóa thạch thông thường khá dễ kiếm và rẻ trên Trái đất thì sao? Trên thực tế, đó là những gì các cuộc thử nghiệm của Starship đã sử dụng cho đến nay!
10,8 Mt, hay 598 petajoule, khí mê-tan mỗi năm sẽ nhiều hơn mức tiêu thụ hàng năm của một nửa phía đông Úc, không bao gồm xuất khẩu, nhưng chỉ bằng 0,4% nhu cầu hiện tại của thế giới. Một lần nữa, đủ lớn để trở nên thú vị về mặt thương mại nhưng không có khả năng tác động nhiều đến thị trường toàn cầu.
Đốt cháy khí đó sẽ tạo ra khoảng 27Mtpa CO2; khí thải thoát ra từ chuỗi cung ứng khí đốt có thể tạo ra thêm 4-8Mtpa CO2 tương đương (trên cơ sở GWP100). Con số này chiếm khoảng 5% lượng khí thải hàng năm hiện tại của Úc - quá đủ để một doanh nghiệp đơn lẻ phải lo lắng!
Một chủ đề nhỏ
Là một vấn đề thứ yếu được quan tâm thoáng qua, tất cả những điều này có thể tốn kém bao nhiêu?
Musk dự đoán rằng các vụ phóng Starship thương mại ban đầu sẽ tốn khoảng 100 triệu đô la Mỹ một lần - tương tự như SpaceX Falcon Heavy hiện tại và do đó, với sức chứa hàng hóa cao hơn, giá cho mỗi đơn vị hàng hóa rẻ hơn nhiều. Tham vọng của Musk là giảm chi phí đó "hai hoặc ba năm kể từ bây giờ" xuống còn 10 triệu đô la Mỹ cho mỗi lần phóng Starship thông qua tốc độ phóng cao hơn cho mỗi tên lửa. Và ông suy đoán rằng chi phí có thể giảm xuống thậm chí còn thấp hơn trong tương lai.
Ít nhất thì không có gì đảm bảo điều này! Khả năng tái sử dụng hoàn toàn và nhịp độ hoạt động cao là rất khó! Musk và các công ty của ông đã làm được một số điều đáng chú ý, nhưng những lời bàn tán lớn và hy vọng không thành hiện thực không phải là điều xa lạ. Chúng ta đừng đếm gà trước khi chúng ngừng nổ.
Tuy nhiên, hãy giả sử các tên lửa cuối cùng cũng hoạt động. Chương trình Sao Hỏa sẽ tốn bao nhiêu ở mức giá cho mỗi chuyến bay là 100 triệu đô la Mỹ, 10 triệu đô la Mỹ và 5 triệu đô la Mỹ?
Ờ, ừm, khá là tốn kém.
Chi phí phóng (cho 260.000 lần phóng!) sẽ là 26 nghìn tỷ đô la Mỹ (nghìn tỷ. NGHÌN TỶ!) theo chi phí cho mỗi lần phóng ban đầu được kỳ vọng. Con số này tích lũy trong toàn bộ chương trình 14-24 năm, mà không có bất kỳ nỗ lực nào để giảm chi phí sau này.
Con số này sẽ giảm mạnh với những kỳ vọng đầu cơ về chi phí phóng và tăng hàng hóa - chỉ đạt 750 tỷ đô la Mỹ với những giả định lạc quan nhất.
Để so sánh, NASA chỉ được phân bổ 22,6 tỷ đô la cho mọi mục đích (chuyến bay vũ trụ có người lái, tàu thăm dò rô bốt, quan sát Trái Đất, nghiên cứu hàng không và nhiều mục đích khác) trong năm tài chính 2020.
Thêm vào đó, phóng không phải là tất cả. Cũng có chi phí cho hàng hóa thực tế được gửi đi. Có thể có một số chi phí phát triển liên quan đến bộ dụng cụ tự cung tự cấp trên sao Hỏa, bất kể đó là gì! Ngoài những thách thức quen thuộc về việc tiếp xúc với bức xạ gấp 40 lần so với Trái đất, nhiệt độ trung bình là -63°C và bầu khí quyển mỏng và độc hại đến chết người, hoạt động thám hiểm bằng robot đã phát hiện ra một vấn đề mới đối với những người muốn trở thành người định cư. Đất trên sao Hỏa chứa đầy (0,5%!) các chất perchlorate độc hại cần phải được rửa sạch, bằng cách nào đó, trước khi bất kỳ hoạt động nông nghiệp nào trên đất địa phương có thể diễn ra, ngay cả trong mái vòm kiểm soát khí hậu. Than ôi, Mark Watney hẳn đã nghẹn vì khoai tây của mình.
Giả sử những người thực dân đều cung cấp hàng thập kỷ lao động nguy hiểm trong một địa ngục ngột ngạt độc hại bị chiếu xạ miễn phí, thì việc giải quyết tất cả những điều đó sẽ cần một số thiết bị khá tuyệt vời. Nhưng chắc chắn một thuộc địa cũng sẽ cần rất nhiều vật liệu rời giá rẻ trên Trái đất và hiếm trên Sao Hỏa. Nếu chúng ta hào phóng tính trung bình tất cả những thứ đó ra 50.000 đô la Mỹ một tấn, chúng ta sẽ có tổng cộng 50 tỷ đô la Mỹ hàng hóa. Con số đó có thể là một sự đánh giá thấp vô lý, nhưng nếu bạn là kiểu người keo kiệt lo lắng về những thứ như vậy, bạn có thể đã từng bị đau tim vì phí vận chuyển.
Vậy chúng ta có thể kết luận gì?
Trên đường đi, việc tính toán số liệu không chính xác của tôi đã thuyết phục tôi thêm rằng việc thực dân hóa Sao Hỏa không có khả năng xảy ra, ít nhất là theo công thức Triệu tấn, Triệu người qua tàu vũ trụ.
Nhưng với mục đích ban đầu của tôi là mài giũa các kịch bản thị trường hydro: chúng ta có thể tiếp tục bỏ qua ngành công nghiệp phóng khi ước tính nhu cầu hydro trong tương lai.
Ngay cả kịch bản phóng siêu khủng không thể tin được mà tôi đã phác thảo cũng chỉ làm tăng thêm chưa đến 3% nhu cầu hydro xám hiện tại hoặc 0,5% vào kịch bản không phát thải ròng của IEA năm 2050. Nếu điều đó xảy ra thì nó sẽ xảy ra, nhưng những người tính toán bảng tính chuyển đổi năng lượng có thể chuyển sang đồng cỏ xanh hơn. Những người hâm mộ Musk và những người ghét Musk có thể ở lại để tiếp tục tranh luận (với nhau, không phải với tôi! làm ơn!)
