Wodór a podbój kosmosu
Opublikowano: 2 maja 2021

Wodór pomógł wysłać człowieka na Księżyc. Było on też jednym z rodzajów paliwa, jakiego używały amerykańskie wahadłowce. Trudno przecenić rolę jaką odegrał ten gaz w historii podboju kosmosu. Czy jednak istnieje dla niego przyszłość w tej dziedzinie?

Pierwszy obiekt stworzony ręką człowieka znalazł się w kosmosie podczas II wojny światowej. Stworzona przez niemieckiego inżyniera Wernhera von Brauna rakieta typu A4 (później rakiety te nazywano V2) o numerze MW 18014 20 czerwca 1944 roku przekroczyła linię Kármána uważaną dziś za granicę kosmosu i osiągnęła maksymalną wysokość 176 kilometrów. Rakieta napędzana była mieszanką alkoholu etylowego i wody a jako utleniacza użyto skroplonego tlenu.

Chociaż pociski V2 używane były przez hitlerowskie Niemcy w celu terroryzowania Wielkiej Brytanii, ich twórca wraz ze swoimi współpracownikami znalazł się wśród twórców amerykańskiego programu kosmicznego. Głównym celem von Brauna stało się wkrótce pokonanie Związku Radzieckiego w wyścigu na Księżyc.

W rakiecie Saturn V, która umożliwiła wysłanie człowieka w stronę Srebrnego Globu w 1969 roku, ostatnie człony napędzane były ciekłym wodorem, który w komorze spalania mieszał się z tlenem. To właśnie rozwiązanie umożliwiło Amerykanom wysłanie człowieka na Księżyc. Rosjanie, chociaż pierwsi wystrzelili obiekt, który wszedł na orbitę okołoziemską i jako pierwsi wysłali człowieka w kosmos, przegrali rywalizację w wyścigu na Księżyc.

Jedną z przyczyn zwycięstwa Amerykanów było zastosowanie ciekłego wodoru jako paliwa w II i III członie rakiety Saturn V. Ma on bowiem najwyższą gęstość energii w przeliczeniu na jednostkę masy ze wszystkich paliw stosowanych do napędu rakiet. W ZSRR badania nad wodorem rozpoczęto dopiero w latach 80. XX wieku.

Rakieta Saturn V posiadała napęd umożliwiający maksymalne wykorzystanie właściwości różnych paliw. Pierwszy człon używał paliwa o nazwie RP-1 – wysokorafinowanej nafty a jako utleniacza ciekłego tlenu. Zaletą RP-1 jest większa stabilność w temperaturze pokojowej i większa gęstość energii w przeliczeniu na jednostkę objętości, niż ma to miejsce w przypadku ciekłego wodoru. Pozwoliło to zmniejszyć rozmiary pierwszego członu, by zapewnić mniejszy opór powietrza w atmosferze ziemskiej. Wodór ma natomiast wyższą gęstość energii w przeliczeniu na jednostkę masy, dzięki czemu II i III człon były lżejsze.

Podobne rozwiązanie zastosowano w promach kosmicznych. Główne silniki napędzane były w nich ciekłym wodorem. Podczas startu wspomagany były one jednak przez dwa dodatkowe silniki na paliwo stałe.

Również w latach 60. XX wieku w statkach kosmicznych zaczęto instalować ogniwa paliwowe zasilane wodorem. Były one źródłem energii elektrycznej oraz wody dla astronautów.

Wady i zalety wodoru

Wodór jako paliwo rakietowe ma swoje wady. W stanie gazowym wymaga stworzenia ogromnych zbiorników do jego przechowywania. Dopiero skroplony nadaje się do użycia w rakietach. Jednak i w tym stanie sprawia on wiele problemów. Głównym jest bardzo niska temperatura wrzenia, która wynosi przy ciśnieniu atmosferycznym -253 stopnie Celsjusza. Trzeba więc zapewnić niższą temperaturę, by utrzymać go w stanie ciekłym.

Ponadto zbiorniki muszą być idealnie chronione przed wszelkimi źródłami ciepła: nagrzanymi silnikami, powietrzem i promieniowaniem słonecznym w kosmosie a nawet ze zbiornikiem z ciekłym tlenem, który przechowywany jest w wyższej temperaturze. Wodór podczas wrzenia gwałtownie zwiększa swoją objętość, co prowadzi do eksplozji zbiornika. Dodatkowo gaz bardzo łatwo wydostaje się ze zbiorników przez najmniejsze nawet pory, co powoduje utratę paliwa i możliwość jego zapłonu w powietrzu. Nie nadaje się więc do długotrwałego przechowywania i długich misji kosmicznych.

Jednak wodór ma również swoje zalety, które decydują o jego coraz bardziej powszechnym użyciu w podboju kosmosu. Posiada najwyższą ze wszystkich paliw gęstość energii w przeliczeniu na jednostkę masy oraz osiąga najlepszy wynik gdy chodzi o impuls właściwy (stosunek siły ciągu do masy zużytego paliwa).

Ponadto użycie go nie powoduje zanieczyszczenia górnych warstw atmosfery. W wyniku spalania wodoru powstaje bowiem para wodna. Jeśli uda się rozwinąć technologie pozyskiwania gazu z odnawialnych źródeł energii, jego emisyjność zmniejszy się jeszcze bardziej. We współczesnym świecie, gdzie kładzie się ogromny nacisk na ekologię, te argument jest niesłychanie ważny.

Czy wodór umożliwi podróż na Marsa?

Wodór może zostać wykorzystany podczas podróży na Marsa. Jednym problemów z nią związanych jest konieczność użycia znacznej ilości paliwa. Istnieje więc pomysł, by paliwo używane w drodze powrotnej pozyskać na Czerwonej Planecie. Dzięki elektrolizie z wody można otrzymać wodór. Sam gaz jednak trudno będzie użyć podczas trwającego wiele miesięcy powrotu.

Dzięki wodorowi możliwe będzie jednak dokonanie syntezy paliwa rakietowego, którego użycie jest o wiele łatwiejsze. Chodzi o reakcję metanacji. W jej wyniku wodór reaguje z dwutlenkiem węgla, co prowadzi do powstania metanu i wody. Metan jest o wiele łatwiejszy do przechowywania a jednocześnie w wyniku reakcji metanacji usuwa się z atmosfery CO2. Gdyby podobną reakcję udało się zastosować na skalę przemysłową na Ziemi zamiast używania gazu ziemnego, można by ograniczyć efekt cieplarniany.

Do podboju innych planet może posłużyć użycie silnika nuklearnego. Również w tym przypadku wodór odgrywa istotną rolę. Wodór podgrzewany jest przez reaktor, przez co zwiększa gwałtownie swoją objętość i skierowany zostaje do dyszy wylotowej, w ten sposób generując ciąg.

Wojciech Ostrowski