Se funzionasse la scienza incontrerebbe la fantascienza
Intteressante. Seguo.
Non per fare il solito polemico, ma nell’articolo non c’è scritto niente! Hanno annunciato una soluzione magica senza dare nessun dettaglio. Fin quando non comunicano almeno l’impulso specifico non c’è molto da discutere.
Effettivamente… un articolo piuttosto inutile.
Il concetto in sé però sarebbe anche interessante, infatti scaldare con l’energia termica del Sole un propellente tipo l’idrogeno permetterebbe di avere il gas di scarico più leggero possibile e dunque una altissima velocità di espulsione, che poi non è altro che una misura indiretta dell’impulso specifico.
Il sistema attuale della combustione per ottenere le alte temperature necessarie ad espellere ad alta velocità i propellenti allo scarico comporta necessariamente che questi gas siano composti da molecole sempre più massive dell’idrogeno puro (tipo il vapore acqueo) e dunque più lente.
Vediamo che tirano fuori
I personaggi mi sembrano però più credibili di aziende che fanno i razzi ad acqua ecco
Intanto 3 milioni i militari glieli hanno dati
99% sarà tutto a base ammoniaca
Il vantaggio di usare energia solare può anche essere legato al tipo di combustibile. Nel caso classico devi portare combustibile e comburente, o usare un monocomponente meno efficiente.
Se hai a disposizione energia, puoi anche pensare di usarla per lavorare al contrario, portando su il prodotto della combustione se è più stabile o più maneggevole (anche un solido, tipo ghiaccio d’acqua o altro “ghiaccio”), usare energia per scindere la molecola e ricombinarla nel motore. Ne vale la pena? Il guadagno in termini di mancata perdita di propellenti nel tempo dovuta all’evaporazione e alla permeabilità dei serbatoi bilancia l’extra massa? Sicuro è più facile “ricaricare” inserendo un blocco di ghiaccio e non trasferendo fluidi
Non capisco il vantaggio rispetto a un SEP tradizionale, ampiamente collaudato e con economie di scala irraggiungibili da altre soluzioni.
Ci sono letteralmente migliaia di satelliti con propulsione SEP (inclusi gli Starlink).
Piu’ in dettaglio:
Qualunque soluzione per trasformare parte dell’energia solare incidente in energia cinetica da fornire al pro’pellente produce spinta.
Il SEP, fotovoltaico + propulsione elettrica e’ piuttosto efficiente, perche’ gli array convertono ben piu’ del 20% dell’energia radiante in energia elettrica e, ad esempio i motori a ioni possono avvicinarsi al 100% di efficienza nel convertirla in energia cinetica:
Ora, il motivo per cui i motori a ioni hanno spinte cosi’ ridotte e’ per la tirannia dell’equazione dei razzi e per il compromesso sul valore ottimale di isp.
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per avere isp alti devo fornire energia che cresce al quadrato con l’isp/Vex
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se ho isp/Vex bassi serve meno energia ma consumo molto velocemente il propellente, e la massa totale del propellente da portarsi dietro (o meglio il rapporto di massa) cresce esponenzialmente con il delta V richiesto, come dettato dall’equazione dei razzi
Il punto e’ che non importa che tecnologia usi per convertire l’energia del sole in energia cinetica degli esausti. Le tagliole di cui sopra sono comunque presenti, a causa delle leggi della fisica.
Se e’ cosi’, fotovoltaico e propulsione elettrica, che gia’ esistono e funzionano, che hanno di male?
A meno che non abbiano scoperto nuova fisica. O usino fonti di energia piu’ dense di quella solare, es. nucleare… ma qui entriamo nella fantascienza e non sembra quello che descrivono.
Chiedo scusa per tutte le cose ben note riferite alla meglio.
Rileggendo meglio l’articolo, forse l’idea e’ di avere una propulsione a isp intermedio tra quello chimico e quello tipico dei motori elettrici es. a ioni, utilizzando un propellente inerte storabile e trasportabile in grandi quantita’, quindi con un rapporto di massa elevato come i razzi chimici. Dato che si usa una massa relativamente elevata di propellente i requisiti in termini di energia sono piu’ ridotti che con i motori a ioni e di conseguenza ottengo lo stesso delta V con meno superficie di pannelli solari e/o in meno tempo rispetto alla SEP.
Pero’ quanto sopra e’ un’illazione, basata esclusivamente sul delta V ottenibile che indicano, ovvero circa 6000 m/s.
Resta il fatto che usando propulsori elettrici a minor isp, es. degli arcogetti, otterresti un risultato simile.
Quello che conta e’ il costo e la gestibilita’ del propellente e quello di tutto l’ambaradan. Sospenderei il giudizio fino a che non fanno filtrare qualche dettaglio in piu’.
Tutto vero ma l’uso termico della radiazione può essere molto più efficiente dell’uso fotoelettrico
La conversione di energia termica in energia meccanica ha dei limiti imposti dalla termodinamica e dalle temperature in gioco, a loro volta dipendenti dalla resistenza dei materiali.
Facendo una forzatura, ma e’ solo per ragionare, il limite massimo di efficienza sulla Terra e’ di circa il 60% (es. come moltissime centrali a ciclo combinato, con turbina a gas in serie a turbina a vapore a ciclo rankine). Ma altri motori a combustione interna, se vogliamo piu’ simili a un reattore termosolare, hanno efficienze molto piu’ basse, diciamo del 30% come il motore della vostra auto.
Quindi si, e’ vero, in teoria un SEP puo’ trasformare in energia cinetica il 20% della radiazione solare, dimostrato e di routine, mentre una macchina termica potrebbe arrivare… diciamo al 50% per fare cifra tonda, inventato e puramente speculativo, ma mi sembra piu’ verosimile 30%.
Basta questo a compensare l’introduzione di una nuova tecnologia? Dipende. Dalla massa dell’ambaradan (da cui il rapporto peso potenza, essenziale). Se 2mq di FV pesano con 1mq di pannello termico, ecco quasi annullato il vantaggio in termini astrodinamici. Dal costo dello stesso. Dal costo per procurare, movimentare e storare il propellente.
Anche dalla possibilita’ di usare propellenti ISRU, per buttare li un tema trasversale ma potenzialmente interessante.
Ovviamente non sappiamo nulla, stiamo ricamando sul niente, perche’ anche se e’ una cosa seria sono stati abbottonati e l’articolo contiene informazioni generali ben note e/o aria fritta. Quindi aspettiamo che si sbottonino.
Non si parla di macchine termiche, ma di utilizzo diretto del calore.
Trasformiamo energia termica in energia meccanica (ovvero energia cinetica degli esausti). Secondo me il limite di Carnot si applica, a metterla cosi’.
Credo che qui si stia facendo un po’ confusione…
Il sistema proposto sfrutta l’energia termica solare direttamente, senza doverla trasformare in energia meccanica. Quindi non ci sono le limitazioni che dici ma solo quelle solite dei materiali.
La propulsione termica solare utilizza la radiazione solare per scaldare direttamente, oppure tramite scambiatori di calore, un monopropellente scelto ad hoc. Chiaramente l’idrogeno è quello in linea di principio più interessante perché le molecole espulse sono le più leggere possibili e quindi fornisce il maggior impulso specifico.
Non e’ che le leggi della termodinamica spariscono se scaldo il fluido di lavoro con il sole invece che con la chimica.
Se fornisco a un fluido propellente 1 joule di energia solare, quello aumenta di temperatura. Un ugello di espansione potra’ convertire parte di quel calore in energia cinetica degli esausti, ma non il 100%. Anche perche’ dovrebbe emetterlo “freddo”, senza energia termica aggiunta. E la colpa e’ del secondo principio della termodinamica.
NB: non stiamo parlando di efficienza propulsiva che e’ un’altra cosa (dipende dall’energia cinetica acquisita dal veicolo, non dagli esausti)…
Pero’ non dovevo tirare a indovinare e lanciarmi in stime spannometriche, bastava consultare Wikipedia che conferma che i razzi sono macchine termiche (perche’ lo sono) ma estremamente efficienti, fino al 60%. Molto piu’ di quello che mi aspettavo tirando a indovinare usando altre macchine termiche conosciute esclusivamente come benchmark per tirare fuori valori ragionevoli.
Rocket engine nozzles are surprisingly efficient [heat engines](https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engines) for generating a high speed jet, as a consequence of the high combustion temperature and high compression ratio. Rocket nozzles give an excellent approximation to adiabatic expansion which is a reversible process, and hence they give efficiencies which are very close to that of the [Carnot cycle](https://en.wikipedia.org/wiki/Carnot_cycle). Given the temperatures reached, over 60% efficiency can be achieved with chemical rockets.
La stessa pagina, nel paragrafo che descrive i principi di funzionamento conferma che il limite di Carnot si applica eccome, un razzo nucleare (e potenzialmente anche uno termosolare con concentratore particolarmente prestante) potrebbe raggiungere temperature piu’ elevate dei combustibili chimici e quindi efficienze massime teoriche di Carnot piu’ alte. Salvo come scrivevo nei post precedenti la resistenza dei materiali alle alte temperature.
Combustion is most frequently used for practical rockets, as the laws of thermodynamics (specifically Carnot’s theorem) dictate that high temperatures and pressures are desirable for the best thermal efficiency. Nuclear thermal rockets are capable of higher efficiencies, but currently have environmental problems which preclude their routine use in the Earth’s atmosphere and cislunar space.
Poi se le molecole del propellente sono piu’ leggere (es, idrogeno), a parita’ di temperatura vengono espulse a una velocita’ maggiore, fornendo quindi un maggiore isp/Vex… ma anche questa e’ un altra grandezza. Posso avere la stessa efficienza meccanica nel fornire energia cinetica agli esausti con isp diversi, se sono diversi propellenti e molecole con massa diversa.
Scusa ma poco sopra hai scritto:
e nei sistemi di propulsione termica solare così come nella propulsione chimica questa conversione termica/meccanica non c’è proprio.
Comunque non è importante, la cosa interessante è questo sistema termico solare nelle sue caratteristiche di base.
stai prendendo un abbaglio. Il rendimento di carnot si applica alle macchine che compiono LAVORO sfruttando due temperature operative.
In questo caso se lo vuoi applicare lo devi applicare al sistema razzo, non al sottosistema di captazione dell’energia termica.
Il sistema di captazione fornisce energia, e basta. Che sia fotovoltaico o termico c’è una differenza notevole nell’efficienza di captazione, ma probabilmente il termico è più pesante e inficia questo vantaggio.
Poi questa energia la userai in un altro sistema e se questo produce lavoro allora calcolerai il rendimento di carnot di quel sistema.
A parità di sistema propulsivo una fonte di energia più efficiente migliora il rendimento.
Suppongo che il motivo per cui stiamo facendo questa discussione sia per capire come mai un razzo termosolare potrebbee permettere un ISP maggiore di uno chimico. E di motivi ne sono emersi un paio:
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Temperatura di lavoro potenzialmente maggiore perche’ non vincolata ai limiti di densita’ di energia della chimica (resistenza dei materiali a parte)
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Massa molecolare degli esausti piu’ contollabile e potenzialmente piu’ ridotta. Come scritto da altri, se scaldo idrogeno le sue molecole vanno ben piu’ veloci dei normali prodotti di combustione a parita’ di temperatura. Con la chimica hai come esausti prevalentemente acqua e CO2, che pesano quello che pesano.
Detto questo, le cose di cui non mi capacito. Cosa c’e’ di cosi’ sconvolgente nel considerare un razzo e una macchina termica che risponde alla termodinamica?
Le parti che ho quotato di Wikipedia parlano tranqullamente e piu’ volte di rendimento di Carnot in riferimento al razzo e confesso che ho passato un po’ di tempo a cercare e postare montagne di fonti, prima di arrivare alla conclusione che non era il caso.
Perche’ un razzo non dovrebbe produrre lavoro? E allora che fa? E’ un motore… e’ il suo lavoro produrre lavoro e produrre effetti meccanici.
Certo che all’interno del razzo c’e’ una conversione termica meccanica, perche’ non dovrebbe esserci?
Forse l’equivoco nasce dal fatto che si tratta di un ciclo aperto e endotermico e come tale espelle gli esausti a fine ciclo e l’aggiunta di energia avviene in forma chimica? Ma e’ vero per tutti i cicli termodinamici dei motori endotermici, inclusi quelli che usiamo tutti i giorni.
Inoltre che la fonte di energia sia chimica non e’ cosi’ essenziale. Il ciclo Brayton (che e’ quello usato da ramjet, turbojet, turboprop e turboshaft) esiste anche in versione non endotermica e non chimica, nel qual caso si chiama primo ciclo Ericsson.
Nella letteratura vengono chiamati motori con determinati cicli termodinamici gli interi dispositivi che producono la combustione e trasformano il calore da essa prodotto in lavoro espellendo gli esausti. Forse perche’ nei motori a combustione interna le cose sono inscindibili. Quindi non mi impiccherei alle questioni di terminologia, anche se alcune cose che ho letto mi hanno fatto rischiare la caduta dalla sedia
Certo se emerge che questo propulsore termosolare, come possibile e anzi probabile, implementa un ciclo termodinamico significativamente diverso da quello dei razzi chimici, allora la cosa diventa piu’ rilevante. Ma in soldoni, se i gas sono piu’ caldi e piu’ leggeri gli esausti sono piu’ veloci e l’isp e’ maggiore.
Tralasci un motivo fondamentale: la fonte di calore.
È ben possibile che la differenza sia proprio lì, l’efficienza con cui il sistema acquisisce il calore. Prima di qualsiasi ciclo termodinamico o macchina.
Un impianto fotovoltaico per iniettare calore in un ciclo capta energia con efficienza intorno allo 0.25-0.3 (nello spazio), poi una reistenza la converte in calore con efficienza 1.
Un impianto solare termico per iniettare calore non ho numeri spaziali, ma evidentemente questi sostengono di poterlo fare con efficienze ben maggiori di 0.3
Se a pari ciclo e a pari massa migliori del 50% l’efficienza di captazione della fonte primaria, aumenti del 50% la potenza del sistema.