Mê-tan dưới dạng khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) sẽ cung cấp năng lượng cho thế hệ tên lửa tiếp theo
SpaceX: Starship; Blue Origin: New Glenn; United Launch Aliance: Vulcan; Ariane: Prometheus; iSpace*: Hyperbola2; Energomash: Soyuz 7 hay còn gọi là Amur
*Công ty vũ trụ thương mại của Trung Quốc
Biết rằng mê-tan (khí thiên nhiên hóa lỏng-LNG) sẽ cung cấp nhiên liệu cho hầu hết các tên lửa thế hệ tiếp theo, những câu hỏi tự nhiên cần đặt ra là: bao nhiêu mê-tan và nó sẽ được lấy từ đâu?
Để giúp trả lời những câu hỏi này, chúng ta hãy bắt đầu bằng cách xem xét cách SpaceX có kế hoạch sử dụng mê-tan để cung cấp nhiên liệu cho Starship, tên lửa thế hệ tiếp theo của họ.
Starship sẽ sử dụng bao nhiêu nhiên liệu dưới dạng mê-tan?
Phân tích của chúng tôi chỉ ra rằng một vụ phóng Starship được cấu hình đầy đủ (tên lửa đẩy và Starship) sẽ sử dụng khoảng 1000 tấn mê-tan dưới dạng LNG làm nhiên liệu. Con số này tương đương với khoảng 50 triệu feet khối chuẩn (mmscf) mê-tan. Ngoài ra, mỗi lần phóng như vậy cũng sẽ sử dụng gần 4000 tấn oxy liguid.
Theo Darrell Etherington của TechCrunch, Elon Musk, khi trả lời các câu hỏi trong một cuộc phỏng vấn trên Twitter, đã chỉ ra rằng "tàu vũ trụ đang được thiết kế với kế hoạch bay trung bình ba chuyến mỗi ngày, mỗi chuyến chở hơn 100 tấn tải trọng cho mỗi chuyến bay, tổng cộng hơn 1.000 chuyến bay mỗi năm, cho mỗi phương tiện." Ông Musk cũng tuyên bố trong cùng một cuộc phỏng vấn rằng ông đang nỗ lực để có một đội tàu vũ trụ gồm 1000 tàu vũ trụ như vậy vào cuối thập kỷ này. Tàu vũ trụ được trích dẫn trong trích dẫn là Starship hiện đang trong quá trình phát triển và thử nghiệm tại cơ sở Boca Chica, TX của SpaceX.
Con số này tương đương khoảng 150 mmscfd cho mỗi Starship, hoặc khoảng 150 tỷ feet khối khí mê-tan/khí tự nhiên mỗi ngày (bcfd) cho một đội tàu gồm 1000 tên lửa. 150 bcfd khí đốt tự nhiên tương đương với 25 triệu thùng dầu mỗi ngày. Để tham khảo, nhu cầu khí mê-tan dưới dạng khí đốt tự nhiên gần đây (năm 2019) của Hoa Kỳ trung bình khoảng 82 bcfd. Về bản chất, ông Musk đang gợi ý rằng nhu cầu khí đốt tự nhiên của Hoa Kỳ có thể tăng mạnh trong khoảng 10 năm tới do hoạt động của SpaceX.
Không gian có thể là biên giới cuối cùng cho nhu cầu khí đốt tự nhiên
Mê-tan sẽ được lấy từ đâu cho Starship?
Thông tin liên quan đến việc cung cấp nhiên liệu mê-tan cho đội tàu Starship: Các phương pháp tiếp cận tiềm năng bao gồm mua khí đốt tự nhiên trên thị trường mở, cung cấp từ các giếng dầu khí do SpaceX sở hữu/vận hành hoặc sản xuất mê-tan bằng quy trình metan hóa, chẳng hạn như quy trình Sabatier.
Elon Musk và SpaceX mua lại các hợp đồng thuê dầu khí với mục tiêu rõ ràng là khoan các giếng khí để cung cấp cho tham vọng không gian ngày càng tăng.
Để bổ sung khí đốt từ các giếng khí đốt tự nhiên, Elon Musk tìm cách khuyến khích nghiên cứu về "công nghệ thu giữ carbon tốt nhất" với mục tiêu cuối cùng là chuyển đổi CO2 thu được thành mê-tan để sử dụng làm nhiên liệu tên lửa. MIT Technology Review
Không, Bạn Không Cần Phải Lo Lắng Về Khí Thải Từ Tên Lửa Sao Hỏa Của SpaceX Tác giả bài viết đưa ra giả thuyết rằng SpaceX có thể phóng đội tàu Starship của mình theo cách trung hòa carbon bằng cách sử dụng Direct Air Capture (DAC) CO2 và chuyển đổi CO2 đó thành mê-tan. Để thực hiện quá trình metan hóa CO2 thành nhiên liệu tên lửa sẽ cần ít nhất ba bước, trong đó DAC là bước đầu tiên của quy trình và có thể cần một nhà máy lớn, chuyên dụng cho mục đích đó. Bước thứ hai là sản xuất hydro cần thiết, cũng có thể cần một nhà máy lớn chuyên dụng. Và ở bước cuối cùng, có thể cần một nhà máy thứ ba chứa quy trình chuyển đổi Sabatier, kết hợp CO2 và H2 thành mê-tan. Vào thời điểm này, chúng tôi hình dung mỗi nhà máy này có quy mô và chi phí tương tự nhau.
Elon Musk: SpaceX đang bắt đầu một chương trình lấy CO2 ra khỏi khí quyển để biến thành nhiên liệu tên lửa Starship Theo bài đăng trên twitter có liên kết, ông Musk đã công bố một chương trình, do SpaceX tài trợ, nhằm biến "CO2 thành nhiên liệu tên lửa". Bài bình luận sau đây ghi lại con đường công nghệ có thể xảy ra và chi phí năng lượng để thực hiện điều đó.
Sử dụng điện
Một khía cạnh quan trọng trong sản xuất mê-tan là công suất cần thiết. Chúng ta hãy bắt đầu bằng cách tập trung vào hydro, cần phải thêm vào carbon để tạo thành mê-tan. Hiện tại, hydro chủ yếu có nguồn gốc thông qua công nghệ cải cách mê-tan bằng hơi nước (SMR), công nghệ này tách hydro khỏi các phân tử mê-tan. Tuy nhiên, một giải pháp thay thế là sử dụng quá trình điện phân nước, công nghệ này sẽ phá vỡ phân tử nước thành các thành phần cấu thành của nó - hydro và oxy - bằng cách thu giữ từng thành phần. Chúng tôi cho rằng việc cho rằng Musk/SpaceX mong muốn có nguồn hydro thông qua quá trình điện phân là hợp lý.
Có thể cần bao nhiêu điện năng để sản xuất hydro? Khoảng 0,25 kg hydro sẽ cần thiết cho mỗi kg mêtan, vì vậy một, hai giai đoạn phóng tàu vũ trụ Starship đại diện cho khoảng 250 tấn hydro trong nhiên liệu mêtan. Tài liệu chỉ ra rằng quá trình điện phân sử dụng từ 40-50 kWh để tạo ra 1 kg hydro. Vì vậy, sử dụng mức thấp hơn của phạm vi đó, công suất điện cần thiết cho 250 kg H2 là khoảng 10 mWh, khi tăng lên đến lượng phóng đầy đủ, là khoảng 10000 mWh, hoặc khoảng 415 mw công suất phát điện hoạt động 24 giờ một ngày là cần thiết để cung cấp hydro cho một lần phóng duy nhất. Sau đó, nếu chúng ta áp dụng nhịp phóng tiềm năng do ông Musk đề xuất, thì sẽ tương đương với khoảng 1245 mw công suất phát điện để cung cấp hydro thông qua quá trình điện phân cho mỗi lần phóng Starship được cấu hình đầy đủ 3 lần một ngày. Tuy nhiên, vì lượng hydro thực sự cần thiết để hỗ trợ quy trình Sabatier, như mô tả bên dưới, gấp đôi các thể tích này, nên công suất thực tế cần thiết là 2 lần 1245 mw hoặc 2490 mw. Theo như chúng tôi biết, SpaceX có kế hoạch lấy nguồn điện cần thiết cho quy trình metan hóa từ năng lượng tái tạo chứ không phải từ các nhà máy nhiên liệu hóa thạch.
Occidental sẽ tách Carbon khỏi không khí Hiện tại không có nhà máy quy mô lớn nào có thể thu trực tiếp CO2 từ không khí, vì vậy nhà máy mà Oxy đang xây dựng, dựa trên công nghệ Carbon Engineering, là nhà máy đầu tiên. Do đó, nhà máy này đại diện cho công nghệ Direct Air Capture (DAC) tiên tiến nhất. Về lý thuyết, nhà máy này có khả năng thu khoảng 1 mmtpa CO2 (khoảng 2700 tấn mỗi ngày) và sẽ tốn khoảng 1 tỷ đô la để xây dựng. Theo bài viết này từ cleantechnica, nhà máy do Carbon Engineering thiết kế này sẽ tiêu thụ từ 5,25-8,81 gigajoule điện cho mỗi tấn CO2 thu được. Sử dụng giá trị trung bình 7 GJ/tấn, chi phí điện sẽ là khoảng 1,9 kWh cho mỗi kg CO2 thu được.
Một câu hỏi khác là có thể sản xuất bao nhiêu mê-tan từ 2700 tấn CO2? Giả sử quy trình Sabatier được sử dụng (xem bên dưới), nó sẽ tạo ra khoảng 980 tấn mê-tan (CH4) mỗi ngày, đủ cho một lần phóng duy nhất lên quỹ đạo của một tàu vũ trụ Starship được trang bị đầy đủ.
Quy trình Sabatier: Chuyển đổi CO2 và H2 thành mê-tan (CH4) và nước (H2O)
Sơ đồ hệ thống sản xuất mê-tan cho một tàu vũ trụ SpaceX Starship duy nhất trong khoảng thời gian hai năm, với khoảng 150 tấn mê-tan mỗi năm. Nguồn từ marspedia.org. Michel Lamontage đã tạo tệp này. https://marspedia.org/User:Michel_Lamontagne
Dựa trên thông tin trong sơ đồ trình bày ở trên, chúng tôi ước tính cần khoảng 8,1 kWh cho mỗi kg mê-tan để vận hành quy trình Sabatier. Hai mục cần lưu ý: Đầu tiên, năng lượng này cao hơn năng lượng nhiệt giải phóng từ quy trình Sabatier, vốn tỏa nhiệt. Thứ hai, thông tin trên mà chi phí năng lượng này dựa trên là dành cho một nhà máy Sabatier tương đối nhỏ. Các nhà máy lớn hơn, hoạt động liên tục có thể đạt được hiệu quả kinh tế theo quy mô và hiệu quả hoạt động, nhưng hiện tại vẫn chưa rõ liệu điều đó có xảy ra hay không và nếu có thì tác động có thể là gì, vì vậy cho đến khi có thông tin mới, chúng tôi sẽ sử dụng 8,1 kWh cho mỗi kg.
Chi phí năng lượng của quy trình metan hóa CO2
Công thức hóa học cho quá trình metan hóa CO2 là:
CO2+4H2==>CH4+2H2O
Ước tính của chúng tôi về nhu cầu năng lượng liên quan để cung cấp các thành phần và thúc đẩy quy trình là:
1,9kWh/kg CO2 để tạo nguồn CO2 thông qua DAC + 40kWh/kg H2 để tạo ra H2 thông qua quá trình điện phân ==> 8,1kWh/kg mêtan để chạy quy trình Sabatier nhằm chuyển đổi CO2 & H2 thành CH4
Tính toán theo phép tính mol/khối lượng, chúng tôi ước tính cần tổng cộng khoảng 33 kWh cho mỗi kg mêtan để sản xuất nhiên liệu thông qua quá trình thu CO2 trực tiếp từ không khí, điện phân hydro và quy trình Sabatier. Điều này tương đương với khoảng 99.000.000 kWh năng lượng mỗi ngày để sản xuất mêtan nhằm hỗ trợ một Starship với tần suất phóng là 3 lần mỗi ngày. Để tham khảo, một hộ gia đình trung bình ở Hoa Kỳ sử dụng khoảng 30 kWh mỗi ngày. Lưu ý: hầu hết các nhà phân tích sử dụng 50 kWh/kg cho quá trình điện phân hydro, nhưng chúng tôi tin rằng công nghệ tiên tiến có thể sẽ cải thiện hiệu quả của quy trình này để gần với giới hạn lý thuyết, tức là hơn 39 kWh một chút cho mỗi kg hydro được sản xuất. Tất nhiên, nếu những lợi ích đó không thành hiện thực, chi phí điện năng cho toàn bộ chu trình metan hóa CO2 sẽ cao hơn. Ngoài ra, lưu ý rằng đánh giá này không bao gồm chi phí năng lượng để cung cấp oxy lỏng cũng như năng lượng cần thiết để làm lạnh metan thành dạng lỏng, sẵn sàng cho tên lửa.
