Il metano come combustibile nei motori a razzo

La presente tesi è incentrata sull’analisi delle caratteristiche che rendono il metano un combustibile desiderabile per le nuove tipologie di motori a razzo. Con l’avvento della nuova space economy, l’utilizzo dello spazio orbitale e suborbitale, che prima era prerogativa della scienza o della difesa, potrà essere utilizzato anche da privati per trasportare merci e passeggeri. Questo ha portato diverse compagnie private a sviluppare diverse tipologie di lanciatori le cui prerogative essenziali, oltre che alle alte prestazioni e affidabilità, è la semplicità di costruzione e la possibilità di riutilizzo in modo da abbassare esponenzialmente tempi e costi. In particolare, la nota compagnia SpaceX è riuscita a sviluppare Raptor, una famiglia di motori a razzo a metano liquido e ossigeno liquido altamente riutilizzabili, i cui risvolti tecnologici rendono questa scelta oggetto di studio imprescindibile in ambito aerospaziale e pertanto oggetto di questa tesi. In particolare, tre diverse aree di ricerca sono materia di analisi. La prima riguarda i cicli di combustione dei motori a razzo e di come questi, in base al tipo di propellente utilizzato, influiscano sulla progettazione e difficoltà di costruzione nonché sulla vita operativa dei motori. Ci si soffermerà su alcune delle componenti principali dei motori quali turbine, pompe e camere di combustione spiegandone il funzionamento ed eventuali miglioramenti. La seconda area di studio approfondisce le qualità chimico-fisiche del metano comparandole ai più comuni tipi di combustibili quali idrogeno e RP-1. Tra queste spiccano densità e il rapporto di carburante poiché queste, quando si progetta uno stadio, ricadono sulla grandezza delle cisterne e quindi sul peso del lanciatore. La terza area di ricerca è incentrata sull’analisi di possibili metodi di sfruttamento delle risorse marziane (In Situ Resources Utilization- ISRU) per produrre metano direttamente su Marte, senza portare il propellente necessario per il ritorno. Marte, infatti, offre risorse utili in forma di diossido di carbonio dall’atmosfera e acqua assorbita dal suolo o acqua ghiacciata nel sottosuolo per la produzione di propellente e materiali di consumo per il supporto vitale. Le tecnologie più importanti per processare la CO2 sono: il reverse water gas shift (RWGS), processo che si basa sulla conversione del diossido di carbonio marziano in ossigeno e monossido di carbonio attraverso la riduzione a idrogeno e l’elettrolisi dell’acqua per la produzione di ossigeno e idrogeno. La reazione di Sabatier che è una reazione esotermica in grado di produrre metano e acqua dal diossido di carbonio e idrogeno.