Применение метана в ракетно-космической технике

Проекты освоения ближнего космоса, предполагающие создание на орбите заводов-лабораторий по производству новых материалов, обитаемых или автоматических баз на Луне и Марсе или хотя бы запуск спутников для обеспечения покрытия земной поверхности высокоскоростной связью, не возможны без наличия серьезных интеллектуальных и финансовых ресурсов.

Так, например, по данным NASA , создание на Луне обитаемой базы обошлось бы сегодня в $ 38 млрд. Но надо учесть, что на Луну космические исследователи смотрят, прежде всего, как на полигон по отработке технологий, необходимых для колонизации Марса.

Но один только полет на Красную планету, по оценкам бизнесмена Илона Маска - автора идеи переселения в XXI веке на Марс одного миллиона землян, составит, по крайней мере, $ 10 млрд. И таких полетов должно быть сделано 10 тыс.

Наличие уже готовых технологий и повторение пройденных миссий способны сократить затраты примерно в два раза. Так, решившись сегодня повторить миссию Apollo , страна или частная компания должны были бы вложить в нее порядка $ 12 млрд., по сравнению с $25 млрд., которые США в прошлом веке потратили на лунную гонку.

Но проблема состоит в том, что многих решений для задач, стоящих перед космической отраслью, еще не существует, а имеющиеся - не соответствуют требованиям времени.

Сегодняшняя интенсификация космической деятельности однозначно потребует снижения стоимости выведения полезной нагрузки на орбиту и повышения экологичности и безопасных ракетных двигателей.

На первом этапе развития космических технологий эти факторы были вторичными. Наилучшие результаты советской космической программы были достигнуты ракетами-носителями «Протон», использующими в качестве жидкостного компонента топлива - гептил (несимметричный диметилгидразин). Пары этого вещества очень токсичны и смертельно ядовиты.

Американская космическая программа использовала для своих целей преимущественно твердотопливные ракетные ускорители. Но и здесь побочным эффектом использования является высокая пожароопасность и выделение ядовитых соединений, в частности, диоксинов. 

Сейчас уже не подлежит сомнению то, что авиакосмическая деятельность является одной из причин уничтожения озонового слоя. Использование гептила в российских ракетах-носителях «Протон» стало одной из причин ограничений, введенных Казахстаном для запусков этих ракет с космодрома Байконур.

Государства, создающие новую ракетную технику, проектируют для нее двигатели на керосине и жидком кислороде. Хотя и эта технология уже не молода. В качестве примеров можно привести украинский РН «Зенит», российский РН «Ангара», Falkon -9 SpaceX Илона Маска и другие.

Наряду с твердотопливными ускорителями, ступени на жидком кислороде и водороде используются в европейской РН Ariane -5 и американской Delta-4Heavy , которые конкурируют между самой за звание самых мощных носителей.

Тем не менее, ракетным топливом XXI века обещает стать метан в паре с жидким кислородом. В пользу его применения говорят , как энергетические характеристики, так дешевизна и распространенность. Метан по плотности и эффективности находится между керосином и водородом. Но сырьевая база добычи метана намного шире, чем у керосина. Фактически, это природный газ, который можно сжижать и использовать в качестве ракетного топлива. Хранить его в виде топлива проще и удобнее жидкого водорода.

Одним из способов снижения стоимости космических перелетов является создание многоразовых двигателей. И как раз здесь метан обладает еще одним преимуществом. Камеру криогенного двигателя можно освобождать от топлива путем нагрева до температуры минус 160 градусов Цельсия. У водорода этот порог значительно ниже. К преимуществам использования метана относится возможности снижения температуры генераторного газа, который является одним из причин недолговечности двигателей и другие факторы надежности.

Начиная с 80-х гг прошлого века работы над метановыми двигателями ведутся во многих космических организациях. Среди них можно назвать российские НПО «Энергомаш», КБ химавтоматики и КБ химического машиностроения, американские BlueOrigin и  Firefly Space Systems, (активы  которой совсем недавно приобрел основатель Noosphere Ventures Максим Поляков) японские и китайские компании . Не так давно к ним прибавилась SpaseX Илона Маска .

Исп ытанный в конце прошлого года двигатель Raptor , который Маск предполагает использовать для сверхтяжелого носителя РН   Falcon Heavy, работает именно на метане. В общем, с большой долей вероятности, именно метановому двигателю и предстоит обеспечить вывод на орбиту «Межпланетной транспортной системы», которая впоследствии доставит на Марс первых землян, а затем и других колонистов.  

Поставлять топливо с Земли для длительных путешествий по Солнечной системе тоже не придется. Производить его можно прямо в космосе путем нагревания, смешав углекислый газ и водород (эффект Сабатье). Кроме того, уже сейчас понятно, что метаном богаты многие небесные тела Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На спутнике Сатурна – Титане буквально идут метановые дожди, поэтому он в будущем мог бы стать межпланетной заправочной базой.