Juni 27, 2022

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Physiker haben entdeckt, wie der Start einer Falcon 9 die Atmosphäre verändert

Physiker haben entdeckt, wie der Start einer Falcon 9 die Atmosphäre verändert

Wenn die Kosten für den Start einer Rakete ins All sinken, sinkt auch die Anzahl der Raketenstarts. Im vergangenen Jahr ist es Regierungen und Unternehmen auf der ganzen Welt gelungen feuerte 133 Raketen ab in die Umlaufbahn und brach damit einen 45-Jahres-Rekord.

aber es gibt ein Problem. Um sich von der Schwerkraft der Erde zu befreien, muss eine Rakete in kurzer Zeit eine enorme Energiemenge freisetzen. Wenn eine Rakete die Erde verlässt, ist es Erzeugt heiße Abgase Es verändert die Physik und Chemie der Atmosphäre, während es vorbeifliegt. beim Papier Erschienen am Dienstag in der Zeitschrift FlüssigkeitsphysikZwei Physiker simulierten den Start einer SpaceX Falcon 9-Rakete, die ins All explodierte.

Sie fanden mehrere Gründe zur Besorgnis.

Der CO2-Fußabdruck ist nicht das Problem

Raketen sind nicht dafür verantwortlich, so viel Bedeutung beizumessen Kohlendioxid in der Atmosphäre. Ein typischer Start verbrennt ungefähr die gleiche Menge Treibstoff wie ein eintägiger kommerzieller Flug, produziert aber siebenmal so viel Kohlendioxid.2 – zwischen 200 und 300 Tonnen – als Passagierflugzeug. Das ist viel mehr Kohlenstoff als die durchschnittliche Person in ihrem Leben geborenaber es ist ein Rundungsfehler im Vergleich zu 900 Millionen Tonnen Kohlendioxid2 Die Luftfahrtindustrie hat sich vor der Pandemie jährlich herumgewälzt.

Aber das ist nicht die ganze Geschichte. „Der CO2-Fußabdruck der Rakete ist uns egal. Das ist irrelevant.“ Forscher Martin Ross sagt. Für ihn sind es die Partikel im Raketenabgas – hauptsächlich Tonerde und Ruß – die wirklich wichtig sind. Diese Partikel streuen und absorbieren Sonnenlicht. „Sie verändern die Temperatur und Rotation der Stratosphäre“, sagt Ross.

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Leider haben Wissenschaftler nur ein geringes Verständnis der gesamten Umweltauswirkungen eines Raketenstarts. „Der aktuelle Datenstand zu Raketenemissionen liefert Forschern nicht genügend Informationen, um die Auswirkungen von Starts auf die globale Umwelt vollständig zu bewerten“, Ross sagt.

Die Auswirkungen hoher Kohlenstoffemissionen in die Atmosphäre sind ungewiss

Die Forscher hinter der neuen Studie arbeiten daran, das Problem deutlicher hervorzuheben, indem sie die Abgase aus den neun Öffnungen einer Falcon-9-Rakete beim Start ins All modellieren. Diese Simulationen umfassen Daten über die Rakete und das Treibmittel (RP-1) mit Gleichungen, die beschreiben, wie sich Gase unter verschiedenen Bedingungen verhalten. Mit erheblicher Rechenleistung konnten die Forscher das Verhalten des Abgases nach dem Austritt aus den Lüftungsöffnungen in einer Höhe von etwa 1 km vorhersagen.

Die Forscher analysierten die Freisetzung, indem sie das während eines Kilometers Bergauffahrt durch einen bestimmten Bereich der Atmosphäre (z. B. zwischen 2 km und 2,99 km) freigesetzte Abgasmenge mit den Eigenschaften der Atmosphäre in dieser bestimmten Höhe verglichen. Sie mussten diese etwas verwirrende Methode anwenden, weil die physikalische und chemische Zusammensetzung der Atmosphäre in verschiedenen Höhen variiert.

Sie stellten fest, dass die Menge der Gesamtabgase im Vergleich zur Umgebungsluft selbst in großen Höhen „vernachlässigbar“ war. Dies ist eine Überraschung, da die Atmosphäre in höheren Lagen viel weniger dicht ist. Nach ihren Berechnungen beträgt die Abgasmenge, die eine Falcon 9 auf einer Strecke zwischen 70 und 70,99 Kilometern (etwa 43 Meilen) ausstößt, ein Viertel der Masse, die in einem Kubikkilometer (etwa 0,25 Meilen) enthalten ist.3) aus der Luft in dieser Höhe. (Dies vermittelt die blaue Linie in der Grafik unten).

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Wie viel Masse steckt in einem Kubikkilometer Abgas im Vergleich zur Umgebungsluft.

was nein Es ist eine vernachlässigbare Menge an Kohlendioxid2 Falcon 9 dringt beim Vorbeiflug in höhere Schichten der Atmosphäre ein (dargestellt durch die rot gepunktete Linie in der Abbildung oben). Sobald seine Höhe 43,5 km (27 Meilen) überschreitet, beginnt die Rakete, mehr als einen Kubikkilometer Kohlendioxid freizusetzen.2 Für jeden gefahrenen Kilometer. Bei Erreichen von 70 km (43,5 Meilen) stößt die Falcon 9 mehr als 25-mal so viel Kohlendioxid aus.2 Es ist in dieser Höhe in Kubikkilometern Luft enthalten.

Und Raketenabgase enthalten mehr Kohlenstoff

Es ist mehr als Kohlendioxid. „Das ist vielleicht das Wichtigste [amount of] Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (H2O) [in rocket exhaust] mit einer ähnlichen Anordnung wie Kohlendioxid“, schrieben die Autoren. Dies ist besorgniserregend, da es in der Atmosphäre kaum Kohlenmonoxid oder Wasser gibt. Daher liefern die Emissionen dieser Fahrzeuge in größeren Höhen einen signifikanteren Beitrag/Höhe zu den eventuell bereits vorhandenen Spurenmengen.“

Der Wasserdampf gefriert in dieser Höhe sofort, aber die Forscher haben keine Ahnung, wo diese Eiskristalle sind. Kohlenmonoxid reagiert mit Hydroxid (OH), um mehr Kohlendioxid zu bilden2. Die Forscher entdeckten auch, dass gefährliche Abgasemissionen, die als thermische Stickoxide (NOx) bezeichnet werden, lange Zeit in heißen Flüssen verweilen können, bevor sie sich in der gesamten Atmosphäre ausbreiten, insbesondere in geringeren Höhen.

Die Zukunft ist ungewiss, aber Forscher und Aufsichtsbehörden nehmen dies zur Kenntnis

Bei etwas mehr als 100 Starts pro Jahr sagen einige, die Verschmutzung durch Raketen sei kein Problem. „Eines der Argumente, die die Leute in der Vergangenheit vorgebracht haben, war, dass wir uns nicht wirklich um Raketen oder die Raumfahrtindustrie kümmern müssen oder dass die Raumfahrtindustrie klein ist und immer klein sein wird.“ Ross sagt.

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war nicht einverstanden. „Ich denke, die Entwicklungen, die wir in den letzten Jahren gesehen haben, zeigen, dass … der Weltraum in eine Phase sehr schnellen Wachstums eintritt, wie die Luftfahrt in den 1920er und 1930er Jahren.“

Das sehen auch die Autoren der neuen Studie so. „Wir glauben, dass das Problem der Luftverschmutzung durch Raketenstarts von entscheidender Bedeutung ist und angemessen angegangen werden muss, da insbesondere die kommerzielle Raumfahrt voraussichtlich in Zukunft zunehmen wird“, schrieben sie.

Das Problem der Verschmutzung durch Flugkörper wird allmählich immer deutlicher und wird an hohen Stellen ernst genommen. Später in diesem Jahr werden die Weltorganisation für Meteorologie und das Umweltprogramm der Vereinten Nationen einen neuen Bericht veröffentlichen, der zusammenfasst, wie Raketenemissionen die Ozonschicht abbauen. Mit etwas Glück wird diese Aufmerksamkeit dazu führen, dass die Luftverschmutzung zu einem wichtigen Faktor wird futuristisches Raketendesign.

Korrektur: Eine frühere Version dieses Artikels gab fälschlicherweise an, dass die Freisetzung ungefähr die gleiche Menge an Kohlendioxid freisetzte2 Als Ganztagesausflug. Tatsächlich verbrennt ein typischer Start die gleiche Menge Treibstoff wie ein eintägiger Flug, produziert aber fast siebenmal mehr Kohlendioxid.2 Emissionen.