Přichází doba metanová? Jaké jsou výhody a nevýhody metanového paliva v kosmonautice?

Na první pohled jde o záhadu: Dosud žádná kosmická raketa využívající metanové palivo nedosáhla oběžné dráhy. Prakticky veškeré dnes vyvíjené nosiče s ním ovšem do budoucna počítají. Co může za tento zvláštní a v kosmonautice nevídaný obrat? Jak asi tušíte, s metanem není vše černobílé a jednoduché. Pojďme se tedy na něj coby na pohonnou látku podívat podrobněji. Na následujících řádcích ho přitom budeme srovnávat s kerosinem čili leteckým petrolejem RP-1 a s vodíkem. Podotýkáme, že všechna zmíněná paliva potřebují v raketovém motoru také okysličovadlo – a všechna využívají kapalný kyslík.

Poněkud objemné nádrže

Začněme třeba srovnáním hustoty. U kerosinu se za běžných okolností jedná o 813 kg/m³, u kapalného metanu o 422 kg/m³ a u kapalného vodíku o 70 kg/m³. Pokud má tedy raketa nádrž s kerosinem o určitém objemu a přebudujeme ji na metanový nosič, musí při zachování výkonu dostat dvojnásobně objemnou nádrž, a v případě vodíku by šlo dokonce skoro o dvanáctinásobek.

Hmotnost konstrukce nádrže tak roste, a to zatím mluvíme pouze o objemu, nikoliv o tepelné izolaci – což u metanu či vodíku znamená problém. Obecně se uvádí, že hmotnost kerosinové nádrže odpovídá 1 % hmotnosti obsahu, ovšem u vodíku jde běžně o 10 % a víc. Jinak řečeno, váží-li nádrž i s palivem 100 tun, připadá u kerosinu na vlastní palivo 99 tun, u kapalného metanu asi 97 tun, ale u vodíku méně než 90 tun. Z hlediska hustoty se tak jako nejlepší jeví kerosin a coby nejhorší vodík.

Další hodnotu představuje spalovací poměr, tj. kolik okysličovadla je potřeba k dosažení optimálního spálení jedné jednotky paliva. A na 1 litr kyslíku připadá buď 0,52 litru kerosinu, 0,73 litru metanu, nebo 2,7 litru kapalného vodíku. Samozřejmě, že čím méně kapalného kyslíku raketa nese, tím lépe. Například u vnější nádrže raketoplánů Space Shuttle se nacházel de facto pouze ve špici, konkrétně v objemu okolo 25 %, a přesto ho bylo co do hmotnosti šestkrát víc než kapalného vodíku. Z hlediska spalovacího poměru se tudíž pořadí otočilo: Vodík je nejlepší, kerosin nejhorší...

Aby studené studeným zůstalo

Zapomenout nesmíme ani na izolaci nádrží: Kerosin ji prakticky nepotřebuje, jelikož se do raket tankuje při běžné teplotě, případně mírně podchlazený u nosičů SpaceX. Kapalný metan má teplotu varu −161,6 °C, kapalný vodík −252,9 °C. Pokud se tedy jedná o manipulaci a skladování, jednoznačným vítězem se stává kerosin. Pro úplnost dodejme, že u kapalného kyslíku činí teplota varu −183 °C, takže se technologicky velmi blíží metanu. Nádrže tak mohou mít společné dno a konstrukce rakety bude lehčí. Pro nosiče spalující kerosin či kapalný vodík uvedené neplatí, tudíž jde o malé plus pro jejich protějšky na kapalný metan.

Velmi důležitý parametr u pohonných látek i raketových motorů obecně tvoří specifický impulz neboli poměr tahu k množství paliva spotřebovaného za jednotku času. Veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu 1 s při spotřebování 1 kg paliva. A z logiky věci plyne, že čím vyšší tah při jinak stejných podmínkách, tím je pohonná látka, a tedy motor účinnější. Specifický impulz se udává v N.s/kg, přičemž u kerosinu má hodnotu 3 630, u metanu 4 500 a u vodíku 5 220. Poslední zmíněný proto opět jasně „vede“.

Nestabilní hoření, ale…

Zatím tak máme remízu: Ze srovnávané trojice někde vítězí kerosin, jinde vodík, ale ani jednou metan. S jeho nasazením se navíc pojí nemalé technické problémy, konkrétně nestabilita hoření. Kerosin i vodík se teplotou varu od kapalného kyslíku velmi odlišují. Při spalování kapalného kyslíku a vodíku jsou kapky kyslíku obklopeny molekulami odpařeného vodíku; zatímco v případě kerosinu jsou naopak molekuly odpařeného kyslíku obklopeny kapkami kerosinu. Ať tak či tak, z hlediska hoření dostáváme poměrně homogenní směs. Jenže kapalný kyslík a metan mají velmi podobné teploty varu, takže je složité obě směsi promíchat tak, aby došlo ke stabilnímu hoření.

Co tedy konstruktéry k nasazení metanu vede? Má totiž efektivitu spalování přes 99 %, kdežto u kerosinu jde zhruba jen o 97 %. Při jeho spalování tak vznikají saze a zanášejí turbočerpadla i motor. U jednorázově použitelných raket to nevadí, ale při opakované použitelnosti se jedná o problém a potýkají se s ním i Falcony 9 od SpaceX.

Vodík je sice „čistý“, ale zase nesmírně náročný technologicky. A kromě jiného způsobuje tzv. vodíkovou křehkost, jejíž příčina tkví v difuzi neboli pronikání zmíněného prvku do krystalové mřížky kovu, typicky v místech svarů: Atomy vodíku proniknou do kovu, spojí se do molekul a zvětší svůj objem – čímž dojde k vnitřnímu napětí a často k prasknutí svaru. Naproti tomu kryogenní teplota molekul metanu vede ke zvýšení pevnosti ocelových nádrží, které v důsledku nemusejí být tak silné a těžké. Na poli opakované použitelnosti, k níž směřuje většina stávajících raket, tak metan zcela dominuje.

Když cena hraje roli

Metan také nabízí třikrát vyšší chladicí schopnost než kerosin, což pomáhá při chlazení spalovací komory. Při srovnatelném výkonu má zároveň ve spalovací komoře a na přívodu do motoru nižší tlak, takže je celý systém jednodušší a levnější. A v porovnání s vodíkem nevyžaduje žádnou speciální infrastrukturu či kvalifikaci personálu. Zvládneme-li natankovat kapalný kyslík, zvládneme i kapalný metan.

A pak je tu cena paliva. Pokud jednorázově použitelná raketa stála 200 či 400 milionů dolarů, bylo v zásadě jedno, zda pohonné látky vyjdou na dva, čtyři, nebo šest milionů. S prudkým zlevněním dopravních služeb, kdy se dnes cena nosiče běžně pohybuje okolo 25 milionů, už ovšem pohonné látky představují významnou položku. 

Podle některých analýz činí přímé náklady na start Falconu 9 kolem 15 milionů i méně. Metan je přitom bezkon­kurečně nejlevnější, následuje o 30 % dražší kerosin a srovnatelně drahý vodík, kterého však potřebujeme několikanásobně víc. A tady už začíná hrát významnou roli, zda pohonné látky reprezentují desetinu ceny startu, nebo čtvrtinu.

Starship jde příkladem

Nejznámější příklad nosiče, který má využívat metan jako palivo, představuje Starship od SpaceX – především proto, že se jedná o impozantní konstrukci. Dvoustupňová raketa bude mít oba stupně použitelné vícenásobně, a hlavně rychle. S výškou 120 m (z čehož na první stupeň připadá 70 m, zatímco na druhý 50 m) a se startovací hmotností kolem 5 000 tun jde o nosič, jaký tu dosud nebyl. Cílem přitom není jen vynášet náklad na zemskou oběžnou dráhu, ale vytvořit kompletní ekosystém v soustavě Země–Měsíc–Mars.

Zajímavé je, že Muskova původní varianta systému MCT alias Mars Colonial Transporter počítala s kombinací kapalného vodíku a kapalného kyslíku. Konstruktéři se však od ní záhy odklonili, neboť zajistit vodík mimo naši planetu je poměrně obtížné – kdežto metan společně s kyslíkem se dá třeba z atmosféry Marsu získat poměrně snadno. Rakety tak mohou na rudé planetě přistát „s prázdnou nádrží“ a z lokálních zdrojů si vyrobit pohonné látky pro cestu zpět.

Za uvedeným účelem začala SpaceX vyvíjet motory Raptor a jejich první zkušební zážeh v délce 9 s se odehrál v září 2016. Následovaly letové zkoušky na texaské základně Boca Chica s prototypem Starhopper v červenci a srpnu 2019, načež se uskutečnila série testů při letech do výšek kolem 10 km pomocí upravených druhých stupňů Starship, které korunoval úspěch stroje SN15 předloni v květnu. V loňském roce se SpaceX dočkala dvou poměrně vydařených zkušebních startů sestavy Starship Super Heavy a přestože se během nich nepodařilo naplnit všechny stanovené cíle, nový nosič má rozhodně potenciál zásadně změnit chod kosmonautiky.