{"id":10122,"date":"2014-06-16T00:14:56","date_gmt":"2014-06-15T22:14:56","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=10122"},"modified":"2014-06-16T08:48:43","modified_gmt":"2014-06-16T06:48:43","slug":"methan-vs-kerosin","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2014\/06\/16\/methan-vs-kerosin\/","title":{"rendered":"Methan vs. Kerosin"},"content":{"rendered":"<p>Da Niels sich ja mit dem Thema besch&auml;ftigt hat und es auch durch Jewgeni-7 hier angesprochen wurde und nun auch SpaceX ein LOX\/Methan Triebwerk am Stennis Test Center testen will, will ich mich mit dem Thema auch mal besch&auml;ftigen. Ich hatte ja Methan schon mal <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2009\/01\/09\/fluessiges-methan-als-raketentreibstoff\/\">verglichen mit Wasserstoff<\/a>. Mit diesem hat er auch einiges gemeinsam, er ist eine kryogene Fl&uuml;ssigkeit und er hat ein geringe Dichte. Noch mehr Gemeinsamkeiten gibt es mit Kerosin und bei allen Projekten ist es ja ein Ersatz oder eine Nachfolgetechnologie f&uuml;r LOX\/Kerosin. Fangen wir also mal an mit den Gemeinsamkeiten und Unterschieden zu Kerosin:<!--more--><\/p>\n<p>Gemeinsamkeiten:<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignright\" src=\"\/img\/lng-rp1.png\" alt=\"\" width=\"980\" height=\"612\" \/><\/p>\n<ul>\n<li>Beides sind Kohlenwasserstoffe. Die chemischen Eigenschaften und physikalischen sind &auml;hnlich<\/li>\n<li>Die spezifischen Impulse sind &auml;hnlich wenn auch Methan hier deutlich h&ouml;her liegt.<\/li>\n<li>Trotz unterschiedlicher Dichte ist das Gesamtvolumen f&uuml;r eine gegebene Treibstoffmenge fast gleich<\/li>\n<\/ul>\n<p>Unterschiede<\/p>\n<ul>\n<li>Methan ist kryogen, es schmilzt bei -182\u00b0C und siedet bei -162\u00b0C<\/li>\n<li>Die Dichte ist geringer und liegt bei 0,42 g\/l anstatt 0,81-0,85 g\/l<\/li>\n<li>Die Mischung ist sauerstoffreicher<\/li>\n<\/ul>\n<p>Deutlich h&ouml;her sind die unterschiede zu Wasserstoff<\/p>\n<ul>\n<li>Die dichte ist nochmals deutlich niedriger (0,07 g\/l)<\/li>\n<li>Wasserstoff ist nur bei tieferen Temperaturen und nur zwischen -259 und -252\u00b0C fl&uuml;ssig<\/li>\n<li>Das Mischungsverh&auml;ltnis zu Sauerstoff ist viel h&ouml;her, dadurch resultieren sehr starke Unterschiede in den gef&ouml;rderten Treibstoffmengen, durch den Volumenunterschied auch in den Volumen<\/li>\n<li>Durch die niedrige Temperatur gibt es bei Wasserstoff wenige Alternativen bei Schmierung und Druckbeaufschlagung.<\/li>\n<li>Die physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden sich deutlich<\/li>\n<\/ul>\n<p>Fangen wir am besten an, was bei Wasserstoff die technischen Herausforderungen sind:<\/p>\n<p>Durch den geringen Bereich in dem der Wasserstoff fl&uuml;ssig ist und das hohe Volumen sind die Anforderungen an die Isolation viel h&ouml;her als bei LOX, die Tanks sind zudem sehr volumin&ouml;s. Das macht, wenn man nicht hohe Strukturmassen tolerieren will, eine Leichtbauweise notwendig. Das gro&szlig;e Volumen setzt hohe Anforderungen an die Turbopumpe, die meist extrem hohe Drehzahlen erreichen m&uuml;ssen. Das ist mit einer kombinierten Turbopumpe nicht m&ouml;glich, daher gibt es getrennte Systeme f&uuml;r die F&ouml;rderung von LOX und LH2. F&uuml;r die Druckbeaufschlagung wird meist Helium eingesetzt, das in eigenen Druckgasflaschen mitgef&uuml;hrt wird, das Leergewicht weiter steigert und nicht gerade billig ist. Die Schmierung von Teilen geht dann auch meist nur mit Wasserstoff, was angesichts dessen, dass er durch alle Metalle diffundieren kann und deren Materialeigenschaften ver&auml;ndert, den Aufwand erh&ouml;ht. Bei der K&uuml;hlung der Brennkammer verdampft der Treibstoff fast sofort, als Gas transportiert er weniger W&auml;rme und es steht weniger Treibstoff f&uuml;r die K&uuml;hlung zur Verf&uuml;gung. Umgekehrt erfolgt die vollst&auml;ndige Reaktion viel schneller als bei Kohlenwasserstoffen, wodurch die Brennkammern kleiner sein k&ouml;nnen und mehr Hitze abgef&uuml;hrt wird.<\/p>\n<p>Kurzum: Wasserstoff liefert deutlich mehr Nutzlast, macht die Konstruktion aber deutlich aufwendiger.<\/p>\n<p>Methan ist nun zwar eine kryogene Fl&uuml;ssigkeit, aber wie LOX in einem gr&ouml;&szlig;eren Temperaturintervall von 20 (anstatt 7) Kelvin fl&uuml;ssig und dies sogar bei h&ouml;herer Temperatur (LOX: Schmelzpunkt -222\u00b0C, Siedepunkt: -182\u00b0C). Durch die geringe Dichte sind die Tanks gr&ouml;&szlig;er, aber das Mischungsverh&auml;ltnis ist auch gr&ouml;&szlig;er, sodass im Endeffekt das Gesamtvolumen nicht viel gr&ouml;&szlig;er ist. So sind auch F&ouml;rdervolumen in der gleichen Gr&ouml;&szlig;enordnung. Turbopumpen haben &auml;hnliche Drehzahlen und k&ouml;nnen mit einem gemeinsamen Schaft betrieben werden. Das vereinfacht die Konstruktion.<\/p>\n<p>Die Brennkammern haben dieselbe Gr&ouml;&szlig;e wie bei LOX\/Kerosin und die K&uuml;hlung ist nicht ganz so kritisch wie bei LH2, aber nicht so einfach wie bei Kerosin, dass sich &uuml;ber 200\u00b0 erhitzen kann bis es verdampft (je nach gew&auml;hlter Fraktion). Als Schmierstoffe k&ouml;nnen dieselben wie bei LOX eingesetzt werden.<\/p>\n<p>In der Summe sind die Anforderungen h&ouml;her als bei Kerosin, aber nicht um Gr&ouml;&szlig;enordnungen wie bei LH2. Der Gewinn (in Form der Nutzlast) ist in etwa der gleiche wie bei LOX\/Kerosin beim &Uuml;bergang vom Nebenstrom zum Hauptstromverfahren (der spezifische Impuls ist zwar im Verh&auml;ltnis h&ouml;her, aber das Tankvolumen auch, was dann wieder etwas Performance wegfrisst. Beim Wechsel des Antriebsverfahrens d&uuml;rfte der Technologiesprung aber deutlich h&ouml;her sein als nur beim Wechseln des Verbennungstr&auml;gers.<\/p>\n<p>Das Diagramm zeigt die Simulation mit freiem chemischen Gleichgewicht, diese Werte sind immer besser als die realen, man sieht dies bei dem h&ouml;chsten spezifischen Impuls von 3700 bei LOX\/RP1. Die Simulation ging von einem Brennkammerdruck von 60, unendlich gro&szlig;er Brennkammer und Expansionsverh&auml;ltnis von 15 (spez. Impuls Meeresh&ouml;he) und 150 (spezifischer Impuls Vakuum) aus. (RP1: Blaut&ouml;ne, LNG: Orange\/Violett<br \/>\n)<br \/>\nDie Kurven sind recht nahe beieinander. Der Unterschied liegt meist bei 100-120 m\/s. Das Maximum verschiebt sich bei Methan, da es wasserstoffreicher ist. Je nach Annahme der Technologie (Hauptstromverfahren \/ Nebenstromverfahren, niedrige Strukturfaktoren oder hohe) ist der Gewinn an Nutzlast minimal oder leicht bis mittel. Das muss abgewogen werden gegen&uuml;ber dem Aufwand f&uuml;r die Technologie. gibt es schon Erfahrungen damit so wird man sicher darauf setzen. Das kann man in der Sowjetunion als gegeben ansehen, nachdem man dort &uuml;ber Jahrzehnte LOX\/\/RP1 Triebwerke entwickelt hat und auch Experimentaltriebwerke f&uuml;r LOX\/LNG. Wenn man, wie zumindest Rocketdyne, das letzte LOXC\/RP1 Triebwerk in den Sechzigern entwickelt hat, wird der Sprung weitaus h&ouml;her sein.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg04.met.vgwort.de\/na\/9c5c99474bef4504bb097a146800aace\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Da Niels sich ja mit dem Thema besch&auml;ftigt hat und es auch durch Jewgeni-7 hier angesprochen wurde und nun auch SpaceX ein LOX\/Methan Triebwerk am Stennis Test Center testen will, will ich mich mit dem Thema auch mal besch&auml;ftigen. Ich hatte ja Methan schon mal verglichen mit Wasserstoff. 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