naprijed »

[Kemija u svemirskoj tehnologiji]

Kemija u svemirskoj tehnologiji

           

Posto me oduvijek uz kemiju zanimala i svemirska tehnologija, otvaram jednu zanimljivu temu koja bi se trebala ticati primjene kemije u svemirskoj tehnologiji i općenitom istraživanju svemira. Naravno, vjerujem da mnogima prvo na pamet pada primarna vrsta pogona koja se trenutno koristi, a to je raketni pogon. Zbog toga ću evo od toga i početi :)

Najjednostavniji raketni pogoni zapravo koriste kruto raketno gorivo koje je smjesa dviju vrsta tvari: 1) goriva i 2) oksidansa. Gorivo je tvar koja se smatra izvorom energije, te je potrebna kako bi moglo doći do reakcije sa oksidansom, koji pak osigurava kisik za odvijanje kemijske reakcije. Sama kemijska reakcija stvara veliku količinu zagrijanih plinova koji izlaze iz raketnog motora kroz sapnicu. Rezultat uskog i usmjerenog izlaza plinova iz motora stvara potisak koji omogućava lansiranje raketa.

Kruta raketna goriva mogu sadržavati i brojne druge tvari kao što su katalizatori (poput pojedinih metala i/ili metalnih oksida). Jedan od jednostavnijih krutih raketnih kompozicija je upravo ova smjesa. Dakle radi se o mješavini kalijevog nitrata i saharoze. Umjesto saharoze mogu se upotrijebiti i druga goriva kao što su sorbitol i dekstroza. Raketne smjese ovog tipa često se koriste u amaterskom raketarstvu, a postoje i projekti koji planiraju koristiti ovaj pogon i za ozbiljnije rakete.

Rakete s krutim gorivom imaju veći potisak od raketa s tekućim gorivom, zbog utroššku veće mase goriva u jednakom vremenu. Uz to, gorivo je u slučaju krutih raketnih goriva gušće tako da u jednaki volumen stane veća masa krutog raketnog goriva, nego što bi stalo tekućeg. Zbog toga mnoge rakete sa tekućim gorivom koriste takozvane booster rakete sa krutim raketnim gorivom.

Evo, toliko za sad, više uskoro.

Evo nešto zanimljivo -->http://www.youtube.com/watch?v=bin_W1xVPfY
Iako nisam nešto zainteresiran za ovakav dio kemije...
Zar se ne koriste vodik i kisik kao pogonsko gorivo?
 

Reaktanti su N₂O₄ i anilin (C₆H₅NH₂)

Zanimljiv video, većinom sam vidio reakcije s hidrazinom (N2H4), ali ovo je isto zanimljivo.

Vodik i kisik se koriste naravno, ali to je dosta sofisticiraniji tip pogona. Npr. primarni pogon space shuttlea se temelji na tekucem kisiku i tekucem vodiku kao sto si rekao, ali one dvije booster rakete sa strane se temelje na krutom raketnom gorivu.

ps. sorry, kliknuo na "uredi" umjesto "citat" tako da sam ti slucajno editao post :-X Ali vraceno odmah kako je i bilo :D

Najjednostavnija reakcija je reakcija između kalijeva permanganata (KMnO4) i glicerola (C₃H₅(OH)₃)

ps. HaHa  :D

Najjednostavnija reakcija je reakcija između kalijeva permanganata (KMnO4) i glicerola (C₃H₅(OH)₃)

Čak se ne mora niti palit ničim

Još jedna zgodna informacija. Trenutno jedno od najkorištenijih krutih raketnih goriva bazirano je na amonijevom perkloratu (NH₄ClO₄) i zove se Ammonium perchlorate composite propellant (APCP). Inače osim amonijevog perklorata sadrži i "gumasto" vezivno sredstvo (HTPB ili PBAN), nešto usitnjenog metala (obično aluminij), i različite katalizatore kojima se može regulirati brzina izgaranja.

Evo da malo spomenem i dobar stari helij, makar ne direktno vezano uz istrazivanje svemira, pomocu helija sonde se mogu dici vise desetaka kilometara iznad Zemljine povrsine, sto spada u sloj poznat kao stratosfera. Informacije prikupljene ovim nacinom istrazivanja bile su i jos su uvijek bitne za slozenija svemirska istrazivanja, tako da je ovo svakako odlican pocetak za postepeni razvoj istrazivanja ove vrste kod nas.

Iako se i vodik koristio (i ponekad jos koristi) kao plin kojim se pune baloni, ipak ima jedan bitan nedostatak, a to je njegova zapaljovist ili cak eksplozivnost ako se nalazi u odgovarajucem omjeru s kisikom. Vodik je nesto laksi od helija, ali oba dva plina su toliko puta laksa od zraka, da razlika nije toliko bitna.


(izvor: www.zvjezdarnica.com)

Nedavno je ekipa iz astronomske udruge Vidulini pokrenula prvi takav projekt u Hrvatskoj koji je rezultirao uspješnim lansiranjem i slijetanjem balona, te povratom informacija. Svaka cast svima koji su u tome sudjelovali, a o svemu vise pogledajte ovdje.

[Electrochemistry never lies]

Divim se takvim ljudima na velikoj upornosti i znatizelji u vezi nauke...
I like it!

Kemija u određenoj mjeri ima prste i u još jednoj vrsti pogona koji se koriste kod svemirskih letjelica - ionski pogon.


(izvor: wikipedia.org)

Radi se o zajedničkom nazivu za više različitih vrsta pogona koji se temelje na sličnim principima kojima se pomoću ubrzavanja iona postiže potisak. Potistak postignut ionskim motorima je malen u usporedbi s uobičajenim kemijskim raketama, ali letjelice koje se kreću pomoću ionskih potisnika mogu ostvariti veći specifični impuls, te je iskoristivost goriva kod takvih motora veća. To se može zahvaliti relativno maloj potrošnji goriva u ionskim motorima. Ipak, takvi motori zahtijevaju dosta jake izvore energije, tako da je ova vrsta motora trenutno najpraktičnija za pogon letjelica jednom kad ih se u svemir dostavi pomoću standardnih kemijskih raketa. Jedna od prvih takvih letjelica bila je Deep Space 1, koja je bila opremljena većim brojem do tad slabo testiranih tehnologija. Maksimalni potisak ionskog pogona te letjelice bio je tek oko 92 mN, ali letjelica je svejedno postigla veliku brzinu jer je sami motor radio ukupno 678 dana.

ESA ima na svojim stranicama vrlo zanimljiv interaktivni prikaz prednosti i mana obiju vrsta pogona - ionskih i standardnih kemijskih.

Najjednostavnija reakcija je reakcija između kalijeva permanganata (KMnO4) i glicerola (C₃H₅(OH)₃)

Čak se ne mora niti palit ničim

jel mi mozete  reci sto nastaje reakcijom KMnO4 i glicerola

jel mi mozete  reci sto nastaje reakcijom KMnO4 i glicerola

Jednadžba reakcije je sljedeća: 14KMnO₄ + 4C₃H₅(OH)₃ --> 7K₂CO₃ + 7Mn₂O₃ + 5CO₂ + 16H₂O

Prema tome, nastaju kalijev karbonat, manganov(III) oksid, ugljikov dioksid i voda. Evo i jedan snimak navedene reakcije.

[Electrochemistry never lies]

Ustvari jako sam zainteresiran ovakvim projektima kao sto su pravljenje kojekakvih raketa kemijanjem i pravljenjem raznoraznih vrsta raketnog pogona.
Ustvari kad bi malo bolje ovo proucavali, dalo bi se nesto i pokusati projektirati. Nisam dosta upucen u ovo, ali evo omikrone kao sto si na pocetku vec rekao da ti je ovo jako zanima, onda sigurno pretpostavljam da si nesto slicno vec probao.
Ja ovako pored hemije volim elektroniku... Tako je i onaj moj projekt, ono auto na hidrogen mjesavina hemije i elektronike...
Ali i ovakve letjelice zahtijevao, pa cak i vecu paznju. Jer tu nije rijec samo o hemiji ili elektronici, nego tu su i neki zakoni aerodinamike. Ima ih nekoliko i otprilike ih razumijem.
Ovo bi bio malo tezi projekat, ali gaantujem da bi rezultat svakog impresionirao..
Sta vi kazete o svemu ovom, ima li ko kakav prijedlog kako bi se to moglo napraviti.
Lajak sam sto se tice svemirske tehnologije "za sad", pa tako ne znam gdje se trebaju odredjene kemikalije za pogon smjestiti i kako aktivirati reakciju...

Ovo je uistinu vrlo zanimljivo, ali i vrlo kompleksno područje. Prije sam bio član jedne udruge u kojoj nas je bio aktivan relativno mali broj, ali smo pokrivali razna područja - bilo je pojedinaca sa iskustvom iz područja elektrotehnike, kemije, astronomije, vojne tehnologije i drugih područja znanosti i tehnologije. Nažalost, bili smo raštrkatni po cijeloj Hrvatskoj i BiH, a neki članovi su radili u inozemstvu, tako da su zbog toga šanse za zajedničke projekte bile još manje. Na kraju se udruga raspala i svatko je otišao svojim putem.

Bojim se da ovdje imamo isti problem, raštrkanost je prevelika, a za bilo kakve značajnije projekte potreban je ipak nešto veći broj ljudi, koji bi trebali biti centrirani oko neke zajedničke lokacije. Svejedno, svašta čovjek može napraviti i kao pojedinac. Kao osobama zainteresiranim za kemiju, nađe se svačeg u domeni svemirske tehnologije na čemu se može raditi. Kemija je prilično povezana sa trenutnim raketnim pogonima, bili oni bazirani na krutom ili tekućem gorivu, tako da je to dobro područje za početi ako te ova tematika zanima. Materijali koji se koriste u svemirskoj tehnologiji također su bitno područje, i zapravo su na neki način kombinacija strojarstva i kemije, a to područje je poznato i kao znanost o materijalima.

Naravno, u složenijoj astronautici ima još puno toga povezanog s kemijom, od gorivih čelija, radioizotopnih termoelektričnih generatora, ionskih pogona, reaktora za recikliranje čim više toga što se koristi u svemiru, sustava za održavanje i pročišćavanje zraka, itd.  

Ali zadržimo se trenutno na početnoj razini i jednostavnim dizajnom raketa baziranih na motorima koje pokreće kruto raketno gorivo (odnosno smjesa oksidansa i goriva). Koga god zanimalo, ovdje se može naći puno informacija o ovoj temi. Mislim da negdje imam još nekoliko kraćih pdf-ova o raketama, pa ću njih također uploadati čim ih nađem.

[Electrochemistry never lies]

Hvala na informacijama. Pa ovako ovo mi je jako zanimljivo, a ustalom se koristi i hemija kao raketni pogon
Mislim da cu pokusati nesto napraviti (neku raketicu) koja ce moci otici barem do mjeseca na ljetnom raspustu kad budem imao vremena na pretek za mnogo pokusa i vjezbi. Prvo da rijesim sve oko mature i prijemnog za fakultet...

U BiH postoji i IRD (Istraživačko Raketno Društvo), sa respektabilnom poviješću i ostvarenim projektima, tako da tamo vjerojatno isto možeš naći puno zanimljivih informacija. U što god se upuštao, naravno preporučam pošteno proučavanje literature prije prvih pokušaja izrade motora. Možda ne bi bilo loše raspitati se da li negdje u tvojoj okolici postoje raketna/modelarska društva, preko kojih bi možda mogao dobiti i nešto opreme ili barem literature.

[Electrochemistry never lies]

Pa vidjet cu jos. Kako vidim to je velik zalogaj...  Naravno da cu morati dosta literature prouciti, ali eto ja samo mislim napraviti nesto maleno cisto radi neke znatizelje da vidim kako to sve radi.. jer mi je jako zanimljivo... Mozda dobijem neku posebnu inspiraciju kada posjetim NASA space centar...

[Radioizotopni termoelektrični generatori (RTG)]

Radioizotopni termoelektrični generatori (RTG)


_{(izvor: wikipedia.org)}

Radi se o uređajima koji stvaraju struju pomoću topline oslobođene radioaktivnim raspadom tvari. Oslobođena toplina se pretvara u električnu struju pomoću termoelektričnog efekta. Termoelektrični efekt može se opisati kao stvaranje napona uslijed temperaturne razlike na krajevima termoelektričnih generatora. Iskorištenje takvih generatora je relativno slabo (do 10%), ali takvi izvori struje istovremeno imaju i pojedine prednosti koje ih čine posebno zanimljivim i korisnim u slučajevima gdje nije moguće jednostavno na druge načine dobiti električnu energiju. Upravo zbog toga se često i koriste kao izvori struje za svemirske letjelice, pogotovo s obzirom da mogu kontinuirano davati struju kroz relativno dug vremenski period, za razliku od npr. solarnih ćelija kod kojih u stvaranju struje ulogu igraju i drugi čimbenici kao što su vrijeme izloženosti, udaljenost od Sunca, itd.


_{(izvor: wikipedia.org)}

Ono što je ovdje kemičarima posebno zanimljivo su izotopi koji se koriste u takvim generatorima. Među najčešće upotrebljavanim su ²³⁸Pu, ²⁴¹Am i ⁹⁰Sr. Na slici iznad vidi se ²³⁸Pu, koji se užario uslijed vlastite temperature. Navedeni izotop je važan jer prvenstveno emitira alfa čestice, tako da su korištenjem plutonija dijelom izbjegnuti problemi uzrokovani beta i gama zračenjem, koja su karakteristična za mnoge druge izotope.


_{(izvor: wikipedia.org)}

Kao primjer svemirske letjelice s ovom vrstom izvora električne struje, možemo navesti Voyager 1, koji ima tri takva generatora od kojih svaki sadrži 24 sfera ²³⁸Pu. Njihova ukupna snaga je u početku bila 420 W, ali je ta vrijednost postepeno padala s obzirom na raspad izotopa i druge čimbenike, tako da je 2001. ukupna snaga pala na približno 315 W. Svejedno, danas, gotovo 35 godina nakon lansiranja, Voyager 1 je još uvijek aktivan i trenutno je najudaljeniji objekt u svemiru kojeg su napravili ljudi (oko 18 milijardi kilometara udaljen od Zemlje). S obzirom na vrijeme poluraspada ²³⁸Pu od 87.7 godina, RTG-ovi će raditi još minimalno nekoliko desetljeća, iako se smatra da do 2030. ukupna snaga više neće biti dovoljna za rad instrumenata na letjelici. Voyager 1 će se nastaviti kretati i za približno 40000 godina proći će oko 1.6 svjetlosnih godina od zvijezde Gliese 445.

Kad sam trenutno sav u tome, moram reći koju riječ o RTG-u na sondi New Horizons koja je prošli mjesec preletjela pokraj Plutona:

  
    _{(izvor: upload.wikimedia.org)}

RTG uređaj je ovo veliko crno s krilcima, s lijeve strane. Ova zlatna folija kojom je sonda obavijena, služi sa zaštitu od kozmičkog zračenja, a to je pak čitava tema za sebe.

Za vrijeme lansiranja snaga RTG-a je bila oko 250 W. Tijekom višegodišnjeg puta, snaga se postepeno spuštala, tako da trenutno iznosi oko 200 W. Inače, ovaj RTG sadrži čak 10.9 kg ²³⁸Pu, što je ogromno, pogotovo kad se uzme u obzir da se trenutno navedeni izotop uopće niti ne proizvodi. SAD su već dvadesetak godina kupovale ²³⁸Pu isključivo od Rusije, ali ona ga je u međuvremenu prestala proizvoditi, tako da i njihove zalihe padaju. Trenutna američka zaliha kreće se oko 12 kg, što je dovoljno za svega nekoliko manjih misija. Trenutno se paralelno radi na ponovnom pokretanju proizvodnje ²³⁸Pu, ali i na istraživanju izotopa drugih elemenata, kako bi se našla jeftinija i lakše dostupna zamjena. ²⁴¹Am je trenutno jedan od najboljih kandidata.

Slično kao i kod Voyagera, i New Horizons će raditi još par desetljeća, sve dok snaga RTG-a postane premala za pokretanje ikojeg instrumenta na sondi.

Evo i link prema videu kojeg je objavila Periodic Videos ekipa, a tiče se upravo ove teme.