Díky souhlasu a pochopení redakce odborného časopisu Plyn vám přinášíme náš článek o LNG jako raketovém palivu.
Zkapalněný zemní plyn se začíná v USA prosazovat v dalším a tentokrát poněkud nečekaném odvětví, a to v kosmonautice.
Hned dvě soukromé společnosti amerických vizionářů vsadily na vývoj raketových motorů poháněných LNG a kapalným metanem. Zdá se, že jej dotáhnou do úspěšného konce a změní tak zaběhnuté zvyklosti kosmických programů.
Přesněji se jedná o kombinaci LOX/metan – kapalný kyslík jako okysličovadlo a LNG či kapalný metan jako palivo. LNG obsahuje příměsi nasycených uhlovodíků (etan, propan, butan aj.), které by teoreticky měly zhoršovat jeho vlastnosti proti čistému metanu.
V praxi se ale i do metanu přidávají další složky, které zlepšují vlastnosti jako stabilitu hoření, regulují teploty spalování a podobně. Důvodem, proč obě společnosti používají u paliva odlišnou terminologii je jiný a vysvětlíme si jej dále.
První společností je Blue Origin Jeffa Bezose, zakladatele Amazonu. Vývojové práce na jejich motoru BE-4 začaly v roce 2011, veřejnosti byl motor ohlášen o tři roky později.
V současné době podstupuje další zkušební a vývojové práce, k letovým testům bude připraven v roce 2021. Primárním určením je pohon prvního stupně rakety New Glenn stejné společnosti, který bude obsahovat sedm motorů BE-4. Společnost počítá se stonásobným znovupoužitím prvního stupně.
Tento motor si vybralo i donedávna monopolní sdružení ULA – United Launch Alliance (společný podnik Boeingu a Lockheed Martinu) k pohonu nové rakety Vulcan. Tato nová raketa nahradí v nabídce ULA raketu Atlas V poháněný ruskými motory RD-180 a definitivně eliminuje závislost amerického kosmického programu na ruských technologiích.
K pohonu Vulcanu byly zvažovány dva motory: AR1 tradičního výrobce Aerojet Rocketdyne spalující klasickou raketovou směs LOX/RP1, který ale prohrál právě s BE-4.
Druhou společností je SpaceX Elona Muska, která svými raketami Falcon 9 zlomila monopol ULA a de facto odstartovala nové vesmírné závody. Zatímco nákladní rakety Falcon jsou poháněny LOX/RP1, pro výpravy mimo oběžnou dráhu Země vyvíjí společnost od roku 2009 motory Raptor na kapalný metan. Loď Starship‑Super Heavy bude motory Raptor využívat v prvním i druhém stupni, a to v počtu 31 + 6.
Proč je LNG vhodné jako palivo pro rakety?
LNG má mnoho předností. Teplota LNG je velmi blízká teplotě kapalného kyslíku (–183 °C). Skladování ve vesmíru je jednodušší, vyžaduje menší nádrže, je bezpečnější, netoxický a díky LNG revoluci je i výrazně levnější než ostatní druhy raketového paliva (vodík, kerosin, hydrazin).
Kombinace s LNG umožňuje vyšší počáteční tah než směs s RP-1/kerosinem, i když nižší než kapalná vodíková paliva. Nevýhodou LH2 je kromě malé bezpečnosti i nutnost extrémně nízkých teplot (–253 °C) vyžadujících silnou vrstvu izolace nádrží, které zároveň při nižší hustotě kapalného vodíku (70,99 kg/m3 oproti 430–470 kg/m3 u LNG) musí být větší. A větší raketa potřebuje vyšší počáteční tah.
Kapalný zemní plyn byl (a do jisté míry stále je) zvažován pro další evoluci evropské rakety Ariane. Ze studie „Comparative Study of Kerosene and Methane Propellant Engines for Reusable Liquid Booster Stages“, kterou zpracovala německá letecká a vesmírná agentura DLR v roce 2002 uvádíme tabulku porovnávající parametry ruských motorů RD-180 s jejich teoretickým protějškem pro evropské rakety Ariane 6. V porovnání vidíme výhody a nevýhody obou řešení, nicméně LNG z většiny vychází lépe. Kombinace pohonu s LNG neprodukuje na rozdíl od kerosinu saze, čímž umožňuje několikanásobné použití prvního raketového stupně. A tím samozřejmě i snížení nákladů. Se znovuvyužítím prvních stupňů počítají všechny nové projekty.
Kapalný metan nebo LNG?
Oba aktéři používají pro označení paliva jiný název. Blue Origin se drží LNG, kdežto SpaceX striktně uvádí, že jejich palivem je tekutý metan. Na první pohled formalismus vysvětlují rozdílné cíle společností.
Prvním cílem Blue Origin je ekonomická doprava nákladu a turistů na oběžnou dráhu země, tedy nahradit Atlas V korporace ULA a díky většímu přepravnímu prostoru i klasicky poháněný Falcon od SpaceX. Druhým cílem je dálkově řízená doprava nákladu na Měsíc umožňující přesun pozemského průmyslu na našeho souputníka. Palivo budou rakety čerpat na Zemi.
SpaceX kromě dopravy nákladu na oběžnou dráhu směřuje k expedici na Měsíc a do konce 30. let i na Mars. A právě tento rozdíl ve směřování je příčinou v rozdílné terminologii. SpaceX předpokládá, že na povrchu Marsu bude možné vyrábět či izolovat metan a doplnit tak raketě palivo na cestu zpět.
Na závěr přinášíme stručná technická a ekonomická data zmíněných raket. U vyvíjených typů jde do velké míry o odhad, zvláště u cenových nákladů. Nic to ale nemění na tom, že vizionářské myšlenky dvou lidí změnily technologicky svět.
Seznam zkratek
GTO Geostationary Transfer Orbit – dráha přechodová
ke geostacionární
LEO Low Earth Orbit – nízká oběžná dráha Země
(do 2 000 km)
LH2 Liquid Hydrogen – kapalný vodík
LNG Liquid Natural Gas – zkapalněný zemní plyn
LOX Liquid Oxygen – kapalný kyslík
RP1 Rocket Propellant-1 – speciálně rafinovaný petrolej/kerosin určený pro raketové motory