Gas elio e il suo utilizzo nella pressurizzazione dei sistemi propulsivi

Avevo letto da qualche parte, gia’ molto tempo fa, che c’era preoccupazione in ambito scientifico e medico per una non molto futura scarsita’ di elio, a quanto pare indispensabile in quegli ambiti (ad es. macchine per la risonanza magnetica).

E’ cambiato qualcosa nel frattempo?

l’elio è un gas molto leggero e costoso. Non so se le dinamiche di mercato dipendano da una effettiva difficoltà a “produrne” di più o che, ma il suo prezzo sta salendo da qualche anno in maniera importante.
Viene usato lui perché è un gas nobile e probabilmente il miglior compromesso tra costo, stabilità e caratteristiche. L’argon che potrebbe essere una alternativa costa di più

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No, non è cambiato nulla. L’elio tecnico deriva dal decadimento del radio (e poi del radon) all’interno della Terra, e si ritrova come impurità nei giacimenti petroliferi e di gas naturale. Viene estratto da lì, una volta liquefatto tutto il liquefacibile resta l’elio gassoso.
La generazione attuale di macchine per risonanza magnetica nucleare usa il minimo indispensabile di elio per i criostati che mantengono i magneti superconduttori a 4K.
Comunque è regolarmente in commercio, e il costo, paragonato alle economie di un vettore, è poca cosa.

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Come molte risorse scarse, fino a che e’ un sottoprodotto e ce n’e’ piu’ di quello che serve puo’ costare relativamente poco.

Ovviamente per far volare la SS con le cadenze ipotizzate, chissa’ che succede… per questo EM twitta che stanno cercando un altro modo. Ma impensierisce che non abbiano ancora chiarito quale.

Il caso dell’elio pero’ e’ molto speciale. Perche’ al contrario di tutti gli altri elementi, idrogeno compreso, gran parte dell’elio consumato si perde nello spazio. Non e’ riciclabile per definizione, neanche da fenomeni naturali.

Il motivo e’ perche’ l’elio oltre ad essere leggero non si combina in molecole piu’ pesanti, al contrario dell’idrogeno. Questo fa si che statisticamente gli ioni/molecole di elio si muovono a velocita’ piu’ elevate e favorisce alcuni fenomeni che ne provocano la perdita nello spazio. Piu’ dettagli qui:

Mi pare di ricordare un articolo di Asimov (che faceva anche il divulgatore) che spiegava perche’ l’elio non e’ una risorsa rinnovabile… ma dopo una ricerca superficiale non l’ho trovato.

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La molecola di elio è monoatomica, ovvero coincide con l’atomo stesso. Invece la molecola di idrogeno è H2, ed è ben più grande dell’atomo di elio.
Risultato, l’elio passa perfino attraverso le porosità del vetro, negli interstizi tra le molecole di silice.
Scusate se vado OT… si chiama ‘elio’ perché venne scoperto prima sul Sole che sulla Terra. Gli spettroscopisti dell’800 trovarono nella luce solare un insieme di righe spettrali che non erano riconducibili ad un elemento terrestre noto, e lo chiamarono elio. Venne poi rivelato dal nostro Palmieri durante l’analisi di una roccia del Vesuvio, e isolato da Ramsay nel 1895. Fine OT culturale :wink: torniamo ai serbatoi pressurizzati.

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Dato che Marco ha (correttamente) spostato la discussione qui, viene da chiedersi perché usare elio e non qualcos’altro. L’elio è chimicamente inerte, e resta gassoso anche alle temperature criogeniche usate dai propellenti superraffreddati. L’unica alternativa sarebbe l’idrogeno, ma mescolare idrogeno e ossigeno, sia pure a bassa temperatura, non sembra sia una buona idea.

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Nel caso di Starship non sarebbe un problema, visto che il serbatoio non abbastanza pressurizzato era quello del metano.

Eh, ma già che fai un sistema di pressurizzazione allora devi pressurizzare anche il comburente

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In realtà puoi usare un altro gas nobile, non l’idrogeno che è tutt’altro che inerte.
Come dicevo puoi usare l’argon, che è in teoria intercabiabile per alcune funzioni (penso alla protezione del bagno di saldatura nella TIG). Non so perché non si usi il neon. Da quel che ricordo i gas nobili sono “meno nobili” al crescere del numero di elettroni, per cui scendendo nella tavola periodica si trovano gas via via più ionizzabili

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Gli altri liquefanno a temperature troppo alte. Ad esempio, l’argon a 87 K, contro l’ossigeno a 90 K. L’ossigeno superraffreddato credo sia a 60 K, e a memoria tutti gli altri nobili sono liquidi a quella temperatura.

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Il neon bolle a 27 K.

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e allora forse sarebbe usabile, chissà

Peraltro tra una breve ricerca l’elio liquido ha una densità maggiore di quella del neon liquido… Che sia lì la ragione? :thinking:
Edit: come non detto, non c’entra niente. Grazie IK1ODO. :man_facepalming:

ma non viene usato liquido… solo gassoso

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Se non vado errato ora Elon Musk ha intenzione di utilizzare un sistema di pressurizzazione autogena, trasformando una piccola quantità di propellente in gas e facendola ritornare in cima al tank.

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Si, ma come spiegavo poco sopra, se sembra aver funzionato con i serbatoi principali del prototipo, non sembra averlo fatto per gli header tank, cioè i serbatoi secondari e separati dagli altri da cui si attinge per alimentare i Raptor all’atterraggio.

La soluzione della pressurizzazione a elio è stata suggerita proprio da Musk con un tweet successivo.

Ero convinto non avessero funzionato quelli ad Elio in SN8, quindi stanno già utilizzando la pressurizzazione autogena

No, è il contrario. Per SN8 è stata utilizzata la pressurizzazione autogena per tutti i serbatoi, ovvero metano e ossigeno e header tank, ma proprio quest’utlimo non si è pressurizzato sufficientemente. Musk ha quindi comunicato, tramite un tweet, che si tenterà la via della pressurizzazione dell’elio per l’header tank, sebbene non sia la soluzione definitiva: sono infatti alla ricerca di un sistema più economico, semplice e leggero per la pressurizzazione di questo serbatoio, fondamentale in fase di atterraggio.

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Nonche’ disponibile anche su Marte, che resta sempre (a dire di Musk) la meta ultima di tutto il lavoro svolto.

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Credo che l’elio sia abbastanza unico tra i gas nobili per il suo punto di ebollizione molto basso, per questo presumo non facilissimo da rimpiazzare con neon o argon.

Ad ogni modo l’uso spaziale mi risulta essere trascurabile rispetto agli altri utilizzi del gas (raffreddamento / criogenia, saldature, sistemi cerca fughe etc).

Non dimentichiamoci che per quanto relativamente raro sulla Terra, è molto molto comune nel cosmo: magari invece di abbordare improbabili asteroidi pieni d’oro finiremo, in un futuro non molto lontano, ad estrarre molto più prosaicamente elio dall’atmosfera di Giove…