Метален водород, најмоќно ракетно гориво

Ракетни мотори- малку историја

Цврстиот ракетен погон првпат бил развиен во текот на 13 век под кинеската династија Сонг. Кинезите првпат користеле барут во 1232 година за време на опсадата на Кајфенг.

Во текот на 1950-тите и 60-тите години, истражувачите во Соединетите Држави развиле композитен погон на база на амониум перхлорат (NH₄ClO₄). Оваа смеса е 69-70% ситно мелен амониум перхлорат (оксиденс), во комбинација со 16-20% фин алуминиумски прав (гориво), се чува заедно во база од 11-14% полибутадиен акрилонитрил  или хидроксил полибутадиен (гориво од гума од полибутадиен). Смесата се формира како згусната течност, а потоа се претвора  во правилна форма и се стврднува во цврста, но флексибилна форма.

Познатиот ракетен систем Искандер стана еден од симболите на руската воена моќ

Молекулата на амониум перхлорат е составена од четири атоми на кислород. Тие се ослободуваат кога се загреваат и во овој кислород, алуминиумот гори со многу висока температура, од редот на 3300° C, пумпајќи енергија во гасните производи за согорување. Тие се произведуваат со второто гориво, јаглеводород полибутадиен акрилонитр или линитрил на бутадиенска гума. Оваа синтетичка гума, покрај горењето како компонента за гориво, делува и како врзувачко средство за другите компоненти, лепејќи ги заедно во едно цврсто гориво.

Ракетното гориво наликува на гума за моливи и има приближен состав:

• 69,6% амониум-перхлорат NH₄ClO₄;
• 16% метален алуминиум;
• 12% полибутадиен-акрило-нитрил;
  
• 1,96% епоксиден зацврстувач;
• 0,4% железо како катализатор.

Течниот ракетен мотор во основа е прилично едноставен уред. Течното гориво и оксидансот се вбризгуваат во комората за реакција каде со согорувањето се ослободува хемиската енергија што произведува врел гас. Продуктите на ова согорување излегуваат од комората со прилично висок притисок низ грлото и потоа се шират надвор од млазницата. Во термодинамичка смисла, како што гасот се шири, случајното движење на гасните честички во комората за согорување се претвораат преку судири едни со други и ѕидовите на млазницата во насочено движење во насока спротивна од забрзувањето на ракетата.
Мали  подобрувања доаѓаат од полесни материјали со висока температура и од компјутерски потпомогнат дизајн и динамика на пресметковна течност за дизајнирање поефикасни пумпи и инјектори. Пропелантите од првата фаза се генерално течен кислород и керозин кои имаат околу половина од енергетската содржина на течниот кислород и водородните погони за горната фаза.
Смесата хидразин и диазот тетраоксидот обезбедува малку поспецифична енергија од течниот кислород и керозин, како и течниот кислород и метан. Безбедно и достапно погонско гориво со многу висока специфична енергија и со мала тежина  на издувните продукти ќе овозможат значителни подобрувања во ракетните перформанси.

„Светиот грал на физиката на високи притисоци“

Двоатомскиот водород е гас кој при атмосферски притисок се втечнува и се зацврстува само на многу ниска температура (14 Келвини над апсолутната нула). Научниците Вигнер и Хантингтон предвидоа дека под огромен притисок од околу 25 GPa (250.000 atm), водородот ќе покаже метални својства: наместо дискретни H₂ молекули (кои се состојат од два електрони врзани помеѓу два протона), цврстата фаза би се формирала со цврста решетка од протони и електроните делокализирани насекаде. Оттогаш, производството на метален водород во лабораторија е опишано како „...светиот грал на физиката на високи притисоци“.

Ново доба во ракетната техника

Атомскиот (атомарниот) метален водород, кој е метастабилен при амбиентален притисок и температура, може да се користи како најмоќно хемиско ракетно гориво, бидејќи атомите се рекомбинираат за да формираат молекуларен водород. Овој лесен материјал со висока енергетска густина ќе направи револуција во ракетната техника, дозволувајќи им на ракетите  со хемиско гориво за да го истражуваат нашиот сончев систем. За да се трансформира молекуларен водород во метален водород, потребни се екстремни високи притисоци, но сè уште не се постигнати во лабораторија. Во предложениот нов пристап, електроните ќе бидат инјектирани во цврст водород со цел да се намали критичниот притисок за трансформација. Доколку постапката е успешна, ќе се проучат својствата на метастабилноста на водородот. Овој нов пристап може да ги намали притисоците потребни за производство на овој потенцијално револуционерен ракетен погон.Исто така,може да се употребува во горивни ќелии, фузиски материјали,нуклеарно гориво.Тој е најсилниот суперспроводник на планетава!!!

Првите пресметки велат  дека се потребни притисоци од редот 25 GPa за транзиција на цврстиот молекуларен водород во атомска метална фаза. Подоцна беше предвидено дека металниот водород може да биде метастабилен материјал, така што ќе остане метален кога ќе се ослободи притисокот.  Зборуваме за примената на метастабилен метален водород во ракетната техника. Метастабилен метален водород би бил многу лесен,  со мал волумен, моќен ракетен погон. Една од карактеристиките на погонот е неговиот специфичен импулс, I_sp. Течниот (молекуларен) водород-кислород кој се користи во современите ракети има I_SP од ~ 460s; металниот водород има теоретски I_sp од 1700! Деталната анализа покажува дека таквото гориво би им овозможило на едностепените ракети да влезат во орбитата или да носат економичен товар до Месечината. Ако се користи чист метален водород како погонско гориво, температурата на комората за реакција се пресметува дека ќе биде поголема од 6-7 000 К, што е превисока за моментално познатите материјали за ракетни мотори. Со разредување на металниот водород со течен водород или вода, температурата на реакцијата може да се намали, но сепак има значително подобрување на перформансите за разредената смеса.

Апликација за лансирање на ракети со метален водород

Над некоја критична температура, метастабилноста на металниот водород е надмината и атомите се рекомбинираат во водородни молекули ослободувајќи ја енергијата на рекомбинација,  од 216 MJ/kg. Ова е повеќе од дваесет пати повеќе од специфичната енергија ослободена од согорувањето на водород и кислород во главните мотори на вселенскиот шатл, од 10 MJ/kg.

Бидејќи металниот водород сè уште не е произведен и материјалот е само теоретски карактеризиран, мора да се направат некои претпоставки за да се испита неговата потенцијална употреба во ракетно возило.

Претпоставуваме дека металниот водород е метастабилна цврста или течност при амбиентални услови, дека е компатибилен со погонски средини на возилата за лансирање (вибрации на возилото, пумпи, вентили итн.),и дека може безбедно и достапно да се произведува и ракува во големи количини. Исто така, претпоставуваме дека има густина од 0,7 gm/cm³(густината на течниот H₂ е околу 0,07 gm/cm³) и неговата метастабилност се надминува на околу 1000 K за притисок од 40 бари.
Нормално, точните бројки се најстрого чувани тајни!

Скица на разни ракети, од обични двостепени до најголемата-Сатурн V,и за секој вид и големина треба да се пресмета точно потребното количество на метален водород.

Концепти на возила за лансирање во две фази кои испорачуваат носивост од 35 метрички тони плус 1празна 2-та фаза до лунарната површина. Температурите на комората помеѓу овие концепти се разликуваат од 3500 K до 3800 K. Металниот водород за првата фаза се разредува со вода, а за втората фаза со течен водород.

Лансирните возила со метален водороден погон можат да испорачаат околу 15 пати поголема носивост  од  конвенционалните лансирни возила со слична големина.

Ракетни  возила со водороден погон очигледно можат да направат револуција во ракетирањето. Првиот чекор во оваа насока ќе биде да се подготви метален водород во мали количини во лабораторија и да се тестира за да се види дали се валидни  претпоставките користени во оваа анализа.