du methane dans les moteurs fusées

j'ai lu un post sur Nasa-space-flight qui parle de l'utilisation de méthane dans les moteurs fusée
http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=26995.0
le post (d'octobre 2011) montre que sur la saturnV l'emploi de moteur "fuel rich Staged combustion " tous au méthane liquide - oxygène liquide on pourrait arrivé a des capacité d'emport supérieure !!! ( mais j'ai surement pas tous compris)
question
ou en est la R&D sur le méthane en propergols
quelle sont les problèmes dû au méthane ???

peronik a écrit:j'ai lu un post sur Nasa-space-flight qui parle de l'utilisation de méthane dans les moteurs fusée
http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=26995.0
le post (d'octobre 2011) montre que sur la saturnV l'emploi de moteur "fuel rich Staged combustion " tous au méthane liquide - oxygène liquide on pourrait arrivé a des capacité d'emport supérieure !!! ( mais j'ai surement pas tous compris)
question
ou en est la R&D sur le méthane en propergols
quelle sont les problèmes dû au méthane ???

Concernant l'impulsion spécifique pour un moteur méthane / oxygène utilisé pour redécoller de Mars, la NASA a retenu le chiffre de 370 secondes, bien loin des 400 secondes mentionnées sur le site. J'ai également collecté quelques articles sur le sujet et des valeurs similaires sont proposées, 368s par exemple.
H. Burkhardt, M. Sippel, A. Herbertz and J. Klevanski, Comparative Study of Kerosene
and Methane Propellant Engines for Reusable Liquid Booster Stages, proceedings of the 4th
International Conference on Launcher Technology "Space Launcher Liquid Propulsion",
Liège (Belgium), 3-6 December 2002.

A+,
Argyre

En utilisation normale (décollage de la Terre) ... le méthane n'est pas forcément l'ergol auquel on pense faire appel en priorité. Les étages ou boosters à poudre, les couples kerolox ou LOX/LH2 sont les plus utilisés, et il n'y a pas de raison objective à ce que cela change.
L'intérêt du méthane, c'est qu'il s'agit d'un alcane dont la fabrication peut être envisagée sur une autre planète. Ce n'est pas ultra-simple ... surtout si on doit extraire les ingrédients du sol ou de l'atmosphère de la planète.
Mais on a des protocoles de réactions chimiques et les installations de réacteurs chimiques sur place sont envisageables. On parle d'ISRU et de production in-situ.

Il y avait eu du temps de Constellation avec objectif lunaire une pré-étude pour que le LEM (ou son équivalent .... baptisé Altaïr) puisse être équipé de tels moteurs au méthane (à l'époque où une base lunaire permanente était envisagée, la production d'ergols in-situ faisait partie des projets).

There was a small possibility that the original plan of using LOX/CH4 – fueled engines on board the Block II (lunar) Orion CSM and Altair ascent stage could come to pass.

voir : http://en.wikipedia.org/wiki/Altair_%28spacecraft%29 (il y a eu aussi des discussions sur le FCS)
On posait donc des jalons pour travailler cette propulsion. Mais cela avait été rapidement abandonné .... et puis Constellation est passé aux oubliettes.

Le problème pourrait se reposer dans un scénario de mission habitée martienne .... mais comme le programme américain a largement réduit les objectifs de "recherche sur des technologies spatiales" ... avec le flexible path de la période Obama .... peu de chance que cela redevienne un objectif dans les proches années à venir. Ils ont déjà du travail pour construire le SLS/Orion.

Par rapport à du LH2, un avantage du méthane est sa température de saturation proche de celle du LOx, ce qui facilite la gestion des ergols.


En europe, l'italie travaille sur un moteur LOx/CH4 (expander il me semble) destiné à une evolution de Vega.

Encore un autre avantage, c'est que le gaz naturel est surtout composé de méthane et que l'on peut envisager de l'utiliser directement au départ de la Terre.

C'est un projet qui m'étonne beaucoup avec la politique environnementale actuelle. Le méthane contribue au réchauffement global...

Mamadou a écrit:C'est un projet qui m'étonne beaucoup avec la politique environnementale actuelle. Le méthane contribue au réchauffement global...

Moins que la combustion des autres hydrocarbures car c'est le plus hydrogéné d' entr'eux . Sa combustion produit plus de vapeur d'eau et moins de dioxyde de carbone selon cette équation chimique: CH₄ +2 O₂ = CO₂ +2 H₂O

Et avant occupons nous des voitures et du chauffage ;)

Comment ça avant? ;) C'est AMHA une action globale qu'il nous faut. Est ce que le spatial est capable de supporter ce genre de contraintes ça ... :pale:

Mamadou a écrit:C'est un projet qui m'étonne beaucoup avec la politique environnementale actuelle. Le méthane contribue au réchauffement global...

Ce serait peut-être pertinent si on lançait des milliers de fusées par jour, mais on parait assez loin de ce niveau...
C'est déjà bien assez difficile comme ça, techniquement, pas la peine de se compliquer la vie avec des faux problèmes.

Pas faux

Pour revenir au sujet lui-même, AMHA le méthane est le carburant le plus écologique - non seulement pour les hydrocarbures, mais même devant l'hydrogène car ce dernier est toujours produit principalement - jusqu'à maintenant - à partir d'hydrocarbures avec production de dioxyde de carbone .

La situation ne changera que lorsque des méthodes industrielles rentables par photolyse- ou thermolyse (à condition que le chauffage soit solaire)- de l'eau pour la production d'hydrogène et d'oxygène soient en place.

Cet article des  Échos sur le Gaz de schiste : Londres veut la fiscalité la plus avantageuse au monde me fait revenir en mémoire ce sujet sur l’utilisation du méthane pour les fusées... enfin je dois avouer que le sujet sur Ariane 6 y a contribué aussi un peu …alors comme on n’est pas là pour parler uniquement de pieds et de km ou plutôt de newtons (N) et livre-force (lbf) de ( ce qui a permis tout de même de faire retomber un peu la température d’Ariane 6) , alors reparlons un peu de ce méthane à fort effet de serre.
 
Le méthane, comme on sait, on n’a pas besoin d’aller sur Mars pour s’en procurer à foison et même si en France on n’est toujours pas chaud pour son utilisation, d’autres s’y mettent sans état d’âme  avec ce fameux gaz de schiste  qui n’est encore rien par rapport aux hydrates de carbone à venir… ah, j’oubliais les vaches.
 
Donc si on sort ce CH₄ de la terre, de la mer ... ou des vaches  à bien plus  fort effet de serre que le CO₂-, mieux vaut alors s’en servir  en le transformant en H₂O et  CO₂.

 Bon, d'accord mon argument  écologique un peu spécieux  peut sentir le lobbying pro-méthane.

à vrai dire, ce n'est pas tant le réchauffement de la planète qui me traumatise... quand il fera 2° C de plus, je me sentirai comme si j'habitais mille kilomètres plus au sud (personnellement), mais la pollution de l'air m'inquiète beaucoup ;
*
Réflexion égoïste certes, mais je crois qu'on joue beaucoup avec nos nerfs à propos des sept milliards de terriens : est-ce qu'on doit considérer que un individu est la même chose qu'un troupeau d'individu ? Et est-ce qu'on doit considérer une foule comme un seul et même individu ?
*
ça amuse beaucoup de gens de comparer la Terre à un organisme vivant, malheureusement, personnellement, je ne suis pas une planète qui parlerait à une de ses voisines au comptoir du grand bistrot interstellaire.
*
Je souligne que tout est possible dans l'absolu, il faut peut-être seulement que nous apprenions à parler des mêmes choses avec les mêmes mots pour commencer à vivre ensemble et en paix... sur toute la Terre et bien au-delà ;

katalpa a écrit:à vrai dire, ce n'est pas tant le réchauffement de la planète qui me traumatise... quand il fera 2° C de plus, je me sentirai comme si j'habitais mille kilomètres plus au sud (personnellement), mais la pollution de l'air m'inquiète beaucoup

Le problème du réchauffement climatique ce n'est pas le réchauffement lui-même, c'est toutes les tares qui y sont associées en termes de dérèglement climatique.
Et les évènements (beaucoup moins) rares et (tout aussi) violents seront probablement beaucoup plus problématiques que la pollution de l'air.

A priori, le méthane n'est pas relâché dans l'atmosphère lors de sa combustion dans le moteur fusée, donc ce n'est pas un problème. De plus, sa production et son stockage nécessite moins d'énergie que celle de l'hydrogène liquide. Par comparaison, c'est donc plus écologique.
Le mieux, c'est d'arrêter de lancer des fusées, mais si on est prêt à se passer des satellites (adieu GPS, adieu la météo, adieu la retransmission d'émission en direct à l'autre bout du monde, adieu la télé pour certains, adieu la télédétection, ...), cela fait une sacré régression technologique.
Enfin et surtout, tant qu'il y aura des gouvernants avec l'ambition de réduire la production de gaz à effet de serre par habitant de x% par an tout en omettant de parler de la politique de croissance de la population (prime au 3ème enfant et immigration largement positive) ... la meilleure option pour contribuer à une véritable baisse des gaz à effet de serre, c'est d'arrêter de voter pour les mêmes incapables !

Argyre a écrit:A priori, le méthane n'est pas relâché dans l'atmosphère lors de sa combustion dans le moteur fusée, donc ce n'est pas un problème. De plus, sa production et son stockage nécessite moins d'énergie que celle de l'hydrogène liquide. Par comparaison, c'est donc plus écologique.

Je dirais même plus ! ;) 

C’est un moyen de le supprimer en le transformant en des produits de combustion H₂O – qui retourne après un séjour dans l'atmosphère sous forme vapeur à l’état liquide :   la pluie
et en CO₂ de moindre effet de serre et qui -à la longue- sera quand même reconverti en hydrates de carbone (sucres) et autres substances organiques avec libération de dioxygène…
Mais bon tout cela reste anecdotique  tant que les humains ne prendront pas la fusée comme ils prennent la voiture … ce qui AMHA n’est pas près d’arriver.

Le méthane  est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre à des concentrations très faibles, de l'ordre de 1,75 ppm (précisément de 1 748 ppb en 1998). Sa concentration tend à se stabiliser un peu au-dessus de cette valeur, après avoir connu une forte augmentation au cours des dernières décennies. Le méthane a en effet une durée de vie assez brève — moins de dix ans — dans l'atmosphère, où il est détruit par des radicaux hydroxyles OH ^·

La société Etogas (Solar Fuel) en Allemagne stocke de l'électricité de source renouvelable sous forme de gaz (Méthane et dihydrogene).
Du dihydrogene est obtenu par hydrolyse par électricité renouvelable, puis combiné à du CO2 récupéré dans l'industrie ou puisé directement dans l'atmosphère donne du méthane par methanation. Le gaz est injecté dans le réseau domestique et peut alimenter différents usages dont la production d'électricité en continu. Le CO2 resultant de la combustion du methane peut etre capturé pour retourner dans le cycle ou sejourner dans l'atmosphere avant d'en etre extrait à nouveau. Les pertes de rendements ne sont qu'un problème économique.
Ils ont un réacteur de démonstration de la taille d'un container qui pourrait être simplifié et miniaturisé. L'ESA pourrait nouer un partenariat avec eux pour développer un démonstrateur technologique à envoyer sur Mars. Le plus tôt l'on s'y prend le plus tôt la technologie sera mure lorsqu'il faudra envisager un atterrissage habité sur Mars, c-à-d lorsque la Chine annoncera son intention d'y aller en solo.

Alpha Centaurus a écrit:La société Etogas (Solar Fuel) en Allemagne stocke de l'électricité de source renouvelable sous forme de gaz (Méthane et dihydrogene).
Du dihydrogene est obtenu par hydrolyse par électricité renouvelable, puis combiné à du CO2 récupéré dans l'industrie ou puisé directement dans l'atmosphère donne du méthane par methanation. Le gaz est injecté dans le réseau domestique et peut alimenter différents usages dont la production d'électricité en continu. Le CO2 resultant de la combustion du methane peut etre capturé pour retourner dans le cycle ou sejourner dans l'atmosphere avant d'en etre extrait à nouveau. Les pertes de rendements ne sont qu'un problème économique.
Ils ont un réacteur de démonstration de la taille d'un container qui pourrait être simplifié et miniaturisé. L'ESA pourrait nouer un partenariat avec eux pour développer un démonstrateur technologique à envoyer sur Mars. Le plus tôt l'on s'y prend le plus tôt la technologie sera mure lorsqu'il faudra envisager un atterrissage habité sur Mars, c-à-d lorsque la Chine annoncera son intention d'y aller en solo.

Très intéressant ! Merci  Alpha Centaurus pour cette information .

Effectivement à première vue cela semble curieux de retransformer le dihydrogène obtenu par électrolyse en méthane puisque l'on complexifie la chaine de stockage d'énergie et que l'on diminue donc le rendement.

Mais en réalité le méthane est bien plus facilement stockable que le dihydrogène en réduisant de beaucoup les pertes sous forme liquide   ( température de liquéfaction de -161°C au lieu de -262 °C) - et presque totalement si on le réinjecte sous forme gazeuse dans le circuit de distribution du gaz naturel - et finalement le rendement global est meilleur.
De plus c’est une voie pour réduire le bilan carbone en reconvertissant le dioxyde de carbone.


De  http://www.etogas.com/fileadmin/user_upload/130301ptj-ptg.pdf :
The methane produced this way can be fed into the natural gas grid and stored for months with no losses, allowing it to be re-electrified in case of a power shortage
Le méthane ainsi produit peut être injecté dans le réseau de gaz naturel et stocké pendant des mois sans
pertes, lui permettant d'être ré-électrifié en cas de pénurie d'électricité

Un additif au post précédent concernant la comparaison entre le stockage plus durable du méthane liquide par rapport au dihydrogène liquide:
- en plus de la température plus basse nécessaire au stockage du dihydrogène liquide, il y a un second facteur qui amplifie les fuites thermiques  : sa densité 9,4 fois plus faible (0,071 au lieu de 0,67 ) ce qui augmente la surface des réservoirs- et donc les fuites thermiques - pour le dihydrogène liquide de 4,5 fois environ encore en plus par rapport à ceux pour le méthane liquide pour stocker la même masse.

NB: Pourquoi 4,5 fois et non 9,4 fois ?  D'après les  équations aux dimensions : [volume] = L³    et [surface] = L ², alors : [surface] = [volume] ^2/3 d'où surface ∝ volume ^2/3  (si on conserve la forme) et 9,4 ^2/3# 4,5

effectivement, le choix du méthane comme vecteur énergétique et bien plus rationnel que celui de l'hydrogène. À tout point de vue. Pas besoin de changer radicalement d'infrastructure. 
Ce n'est pas le fait de rouler en voiture qui affecte le climat, ni le fait de brûler des produits carbonifères ni même le fait de rejeter du CO2 dans l'atmosphère. C'est le fait que ce CO2 ne soit pas recyclé.
Les vecteurs fossils sont consommés à des rythmes de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs au rythme de leur régénération. Ce problème est réglé par la methanation.
Pour en revenir à Mars, la methanation (CO2+4H2-->CH4+2H2O) permet d'obtenir du méthane et du dioxygene (hydrolyse du H2O résultant) avec comme seul apport terrestre de l'hydrogène.
Cet apport peut même être supprimé si un moyen efficace d'extraction de la glace d'eau est trouvé.
Maintenant que nous savons avec quasi certitude que la vie n'a pas existé sur mars, l'ISRU devrait être la priorité des prochaines missions. (oui, la vie est un phénomène très expansif et extrêmement robuste qui a survécu à des vagues successives d'extinctions et de cataclysmes sur Terre grâce à ses caractéristiques fondamentales que sont la réplication exponentielle et l'adaptation par mutation, les traces d'une ancienne existence sur Mars n'auraient pas été complètement englouties sous la lave ou les sédiments.)

Alpha Centaurus a écrit:
Pour en revenir à Mars, la methanation (CO2+4H2-->CH4+2H2O) permet d'obtenir du méthane et du dioxygene (hydrolyse du H2O résultant) avec comme seul apport terrestre de l'hydrogène.
Cet apport peut même être supprimé si un moyen efficace d'extraction de la glace d'eau est trouvé.

Cette "méthanisation" est en fait la réaction de Sabatier. Elle doit s'accompagner d'une électrolyse de l'eau pour obtenir une partie de l'O2 nécessaire et recycler à nouveau l'H2 dans Sabatier. Quand on a obtenu assez de méthane, on n'a pas obtenu assez d'O2, il faut donc poursuivre la réaction sans stocker le méthane et faire l'électrolyse de l'eau, ou apporter directement l'eau ou encore réduire le CO2 et récupérer de l'O2, ou exploiter la réaction de Bosch : http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_de_Bosch

En ce qui concerne l'exploitation de la glace d'eau, il existe déjà un moyen efficace d'extraction. En fait, le sol martien contient de l'ordre de 3% d'eau et parfois beaucoup plus, mais 3% semble être une fourchette basse sur toute la surface de la planère. L'eau est mélangée au sol. Pour l'exploiter, il faut :
1) Procéder à une excavation avec une sorte de robot pelleteuse
2) Commander le robot pour qu'il apporte la pelletée à un collecteur
3) Fermer et chauffer l'échantillon pour faire passer l'eau à l'état de vapeur
4) Placer un tuyau refroidi pour que l'eau se condense dessus et s'écoule
5) Collecter l'eau
6) Ouvrir et sortir l'échantillon asséché du collecteur
Aller en 1. (sans compter la gestion énergétique)

Ce processus est assez facile à mettre en œuvre, mais il doit fonctionner plusieurs mois, ce qui entraine de nombreuses incertitudes sur sa robustesse en mode automatique. Si des humains sont présents sur place pour la maintenance et une éventuelle réparation, c'est la solution optimale !

A+,
Argyre

J'aurais plus opté pour un forage. Chauffé, il permet de puiser l'eau liquide dans son rayon d'influence. La foreuse se décalant régulièrement pour forer de nouveaux puits.
L'opération est plus simple qu'une excavation qui requiert une intelligence artificielle développée pour être rapide et pouvoir traiter efficacement de grande quantités de sols. Il y a aussi plus de risque de pannes avec l'excavation.
Peut-être que des humains en orbite (ou sur Phobos) pourraient piloter des pelleteuses en temps réel... Les premiers mineurs ouvriers de l'espace !  
Les régions polaires présentent un bon gisement. Les calottes polaires sont constituées de 85% de CO2 et de 15% d'eau. Là du coup l'excavation en surface peut valoir le risque.

Ce serait bien que le CNES porte un tel projet ne serait-ce que pour la mémoire de Paul Sabatier...

Alpha Centaurus a écrit:J'aurais plus opté pour un forage. Chauffé, il permet de puiser l'eau liquide dans son rayon d'influence. La foreuse se décalant régulièrement pour forer de nouveaux puits.

Certes, mais la réussite de ce procédé est conditionné par la présence de nappes de glace dans le sous-sol. Or, il n'y a aucune garantie d'en trouver, sauf aux hautes latitudes, ce qui contraint fortement la zone d'atterrissage et réduit également notablement la puissance qui peut être obtenue avec des panneaux photovoltaïques.

Alpha Centaurus a écrit:
L'opération est plus simple qu'une excavation qui requiert une intelligence artificielle développée pour être rapide et pouvoir traiter efficacement de grande quantités de sols. Il y a aussi plus de risque de pannes avec l'excavation.
Peut-être que des humains en orbite (ou sur Phobos) pourraient piloter des pelleteuses en temps réel... Les premiers mineurs ouvriers de l'espace !  

Tu as mis le doigt sur le problème principal, le risque de panne lié à ces robots excavateurs. Toutefois, si la présence humaine pour télécommander, maintenir ou réparer ces systèmes apporte une garantie de fonctionnement suffisante, pourquoi donc vouloir se passer des humains à la surface de Mars pendant le travail des robots ? D'autant plus que cela permettrait de réduire la charge utile à faire atterrir (l'autre option est d'amener l'H2 ou le CH4, ce qui fait perdre une bonne dizaine de tonnes) et ce qui permet par conséquent de faire atterrir des vaisseaux plus petits, et donc de simplifier les systèmes de freinage atmosphérique et d'atterrissage et au final de réduire les risques liés à ces phases !

A+,
Argyre

Argyre a écrit: ... l'autre option est d'amener l'H2 ou le CH4, ce qui fait perdre une bonne dizaine de tonnes)...

A+,
Argyre

Justement à propos de cette autre option : une question que l'on peut se poser est comment conserver sur cette longue durée et surtout pendant l'entrée atmosphérique des ergols cryogéniques ( le problème étant encore plus crucial pour LH2) ? :hot: 

Ne serait-il pas plus sage d'envisager en plus un étage d’ascension de secours à propergols solides (envoyer à l'avance) pour rejoindre l'orbite martienne où se trouverait parquer le vaisseau de retour ?
Ce qui n'empêche pas d'utiliser en premier si tout va bien l'étage utilisant le L CH4 (méthane liquide) et LO2 produits par ISRU .
L'étage de secours pourrait toujours être utilisé pour d'autres missions en cas de pépin ou servir à ramener des échantillons supplémentaires prélevés par les marsonautes.

Giwa a écrit:Justement à propos de cette autre option : une question que l'on peut se poser est comment conserver sur cette longue durée et surtout pendant l'entrée atmosphérique des ergols cryogéniques ( le problème étant encore plus crucial pour LH2) ? :hot: 

Ne serait-il pas plus sage d'envisager en plus un étage d’ascension de secours à propergols solides (envoyer à l'avance) pour rejoindre l'orbite martienne où se trouverait parquer le vaisseau de retour ?

Si on amène un vaisseau prêt à repartir, il faut environ 20 tonnes d'ergols avec un équipage à 3 et un peu plus de 30 tonnes pour un équipage à 6 astronautes (j'ai la DRA5 sous les yeux). Par conséquent, on arrive rapidement à des vaisseaux de plus de 50 tonnes à faire atterrir (il faut environ doubler la masse pour tenir compte des systèmes de freinage et atterrissage), ce qui implique des vaisseaux gigantesques en orbite basse, au-delà de la capacité du SLS, et cela en considérant la version à 3 astronautes. Pour 6, on dépasse les 200 tonnes en LEO. Evidemment, cette complexité additionnelle a également un impact sur les risques ...
Ce n'est pas pour rien qu'on envisage l'ISRU comme une option quasi-incontournable ...
A noter que le retour direct n'est pas envisageable, même avec ISRU et seulement 3 astronautes.

A+,
Argyre