Koji bi materijal uporediv sa nerđajućim čelikom mogao biti efikasniji i jeftiniji za 'SpaceX-ovu' raketu 'Starship'? Da li je prednost čelika samo u ceni? Koja vrsta nerđajućeg čelika se trenutno koristi za 'Starship'? Da bi stvarno razumeo zašto ga danas koriste, dobro je imati na umu da 'SpaceX' nije od početka koristio nerđajući čelik već ugljenična vlakna – čak su napravljeni i prototipovi.
Ovaj rezervoar je jedan od najvećih delova raketne konstrukcije od ugljeničnih vlakana ikad napravljen. Kasnije je testiran pod pritiskom do uništenja i bio je u potpunosti sposoban da zadrži tečni kiseonik na pritisak do 8,5 bara.
Izgradili su ovaj ogromni kalup za izradu delova korpusa od karbonskih vlakana koji bi isto tako činili spoljni do rakete. Čak su napravili i probni deo od ugljeničkih vlakana i izgradili 'fabriku pod šatorom' u luci Los Anđelesa koja je počela s radom u septembru 2018.
Yusaku Maezawa u prvom stepenu rakete 'BFS' napravljenom od karbonskih vlakana.
Dakle, s pravom možeš da se zapitaš, kako su, dovraga, prestali sa svim ovim, samo nekoliko meseci kasnije?
Januar 2019. – samo pet meseci posle slike Yusake Maezawe iznad.
Ugljenična vlakna su lakša i jača od nerđajućeg čelika, ali stvaraju određene probleme.
S ugljeničnim vlaknima nije lako raditi. Ne možeš ga iseći i zakrpiti, mora da se pravi u svom konačnom obliku odmah od početka, uključujući sve otvore, rupe, kanale itd. U suprotnom, sve što kasnije doradiš oslabiće strukturu i ne može da se zakrpi, što na kraju zahteva da napravi čitav deo ponovo od nule.
Ugljenična vlakna su krhka na niskim temperaturama, posebno na kriogenim temperaturama koje su nam potrebne za LOX i tečni metan. Poslednja stvar koju želiš jeste da ti rezervoar postane lomljiv kada je dovoljno hladan da primi tečnosti koje sipaš u njega.
Ugljenična vlakna takođe nisu dobra kada postane prevruće. Iznad oko 200 stepeni, epoksilne smole koje povezuju ugljenična vlakna zajedno počinju da se razlažu i tope, a tvoja karbonska vlakna gube svu snagu.
Dakle, ako želiš da dobiješ raketu od ugljeničnih vlakana koja može ponovno da uđe u atmosferu, gde treba da izdrži temperature od 950ºC, moraš da je obložiš ozbiljnom količinom termozaštite sa spoljne strane karbonskih vlakana, i to mora biti čvrsta obloga – čak i mala pukotina će rezultirati progorevanjem karbonskih vlakana, što znači da – kao što je gore pomenuto – čitava raketa mora biti zamenjena.
Ugljenična vlakna takođe vrlo dobro sprovode toplotu, što znači da ti je potreban kontejner sa dvostrukim zidovima, sa tankovima unutar njega. To bez problema udvostručuje količinu karbonskih vlakana koja ti je potrebna za tvoju raketu. Spoljna strana mora biti dovoljno jaka da izdrži pritisak ponovnog ulaska i sletanja, iznutra mora biti dovoljno jaka da izdrži opterećenja tanka pod pritiskom i moraju biti izolovani jedan od drugog.
Uz to, i dalje će ti trebati potporni elementi da sve to povežu, što znači neka vrsta aluminijumskog kostura unutar karbonskih vlakana koji raspoređuje opterećenje.
Ugljenična vlakna se takođe sporo proizvode. Potrebni su masivni kalemovi za namotavanje prekursorskih listova, a zatim čitavu stvar moraš da zapečeš u peći s kontrolisanom atmosferom satima ili danima kako bi dobio rešetku od ugljeničnih vlakana.
Ti kalemovi su skupi. Onaj goreprikazani je očito koštao blizu \(20 miliona sam po sebi, tako da kupovina više njih zapravo nije neka opcija.
Konačno, karbonska vlakna su skupa za proizvodnju. Elon je onomad dao procenu da bi izrada 'BFS-a'[1] od karbonskih vlakana koštala \)150 po kilogramu, i sa svim potrebnim dodatnim ukrućenjima i toplotnom zaštitom i dalje bi imao težinu između 80 i 100 tona.
Dakle, najbolje što da napraviš s ugljeničnim vlaknima jeste brod koji teži između 80 i 100 tona, čija je proizvodnja vraški skupa – do 100.000 kg × 150 dolara po kilogramu, a ti si već potrošio najmanje \(15 miliona samo na karbonska vlakna, bez motora, letnog hardvera, računara... bilo čega.
Dakle, već u septembru 2018. Mask i njegovi menadžeri su, gledajući troškove, brzinu i probleme s održavanjem, izjavili: 'Ovako nećemo uspeti da napravimo raketu koja će moći da se uklopi u naš plan da ih šaljemo 100 na Mars svake dve godine.'
I tada na scenu stupa Nerđajući Telik.
On je jeftin i ima ga u izobilju. Što je još važnije, pošto postoje razne grane industrije koje ga koriste, postoje i hiljade radnika koji znaju da rade s njim, za razliku od ugljeničnih vlakana, gde su najveći talenti još uvek među stručnjacima za automobilsku i vazdušnu delatnost.
Kod nerđajućeg čelika, doslovno možeš da unajmiš npr. grupu tipova koji inače zavaruju vodotornjeve, dovedeš ih u Teksas i vidiš koliko će im vremena trebati da zavare prototip za nekoliko desetaka hiljada dolara.
Elonova velika izjava je bila da je cena izgradnje 'Starshipa' korišćenjem ugljeničnih vlakana bila \)150 po kilogramu, ali da je cena uz korišćenje nerđajućeg čelika iznosila svega \(3 po kilogramu. Zbog toga je taj 'Starship' od 100 tona i nerđajućeg čelika koštao samo \)300.000 dolara. I umesto da unajmiš stručnjake za \(250 na sat za njegovu izgradnju, unajmiš hrpu zavarivača rezervoara za \)50 na sat da ti ga sastave.
A ako pogreše... možeš da ga udaraš čekićem ili ga isečeš i zavariš ponovo.
A to je pravi štos kada želiš da izgradiš kosmički brod za višekratnu upotrebu. Održavanje je moguće. Probuši se u njemu rupa i možeš da je zakrpiš. Odlomi se komad – možeš da zavariš novi.
I zbog toga možeš da menjaš dizajn u hodu. Nema više potrebe za menjanjem originalnog kalupa. Kada naučiš nešto novo, možeš da izvršiš prilagođavanje na postojećem objektu.
I, naravno, ima još nekoliko prednosti.
Nerđajući čelik (barem '301', '304' i eksperimentalna varijanta '30X' koju koristi 'SpaceX') postaje jači na kriogenim temperaturama. Dakle, kada napuniš gorivo i LOX, rezervoari postaju zapravo čvršći nego kada su na tzv. sobnoj temperaturi. Trebalo je neko vreme da se usavrše tehnike zavarivanja, ali sada nemaju problema sa rezervoarima koji drže 8,5 atmosfera, što je dovoljno za sigurnosnu granicu od 40% iznad planiranih 6 atm. pritiska koji se očekuje tokom leta, i nivo sigurnosti potreban za ljudski let.
Osim toga, nerđajući čelik nema problema sa stajanjem napolju, što znači da ga ne moraš da farbaš radi zaštite.
I, mada dobro sprovodi toplotu, čelik je još uvek zgodan da se koristi kao zid broda i zid tanka, što znači da je potreban samo jedan sloj materijala. Nema odvojenih tankova i cevovoda, i nema dodatne težine od izolacije.
Konačno, 'Stainless 301' ne počinje da gubi čvrstinu čak ni na 800ºC. To znači da možeš gotovo sigurno ponovno ući u orbitu velikom brzinom bez ikakve toplotne zaštite. To znači da je samo potrebno naneti laku toplotnu zaštitu na strani koja je izložena reentriju, i da, čak i ako nešto toplote procuri, zahvaljujući efektu poznatom kao stagnacija, nema stvarne opasnosti od topljenja broda.
Čak i da ima, još uvek bi mogao da zakrpiš brod na tlu, nešto što je nemoguće sa ugljeničnim vlaknima.
Dakle, zahvaljujući činjenici da nerđajućem čeliku ne treba izolacija, niti tankove sa dvostrukim zidovima, niti tešku termozaštitu, i, kako su utvrdili da im je zapravo potreban mnogo tanji nerđajući čelik nego što su koristili na 'Starhopperu', stvarni težina 'Starshipa' SN8 (napravljenog od nerđajućeg čelika '304L') bila je samo oko 100 tona, a Mask je već izjavljivao da očekuju da će naredna serija biti težinski smanjena na samo 85 tona.
Efikasno, odbacivanjem 'ultralakih' ugljeničnih vlakana zarad daleko utilitarnijeg nerđajućeg čelika, oni su zapravo uspeli da pariraju težini 'Starshipa' od karbonskih vlakana, bez većih glavobolja.
Zato su mogli da pokrenu 'Starship' iz baze u blizini Boca Chice za otprilike 2 nedelje — dok bi za to vreme bio napravljen samo jedan stepen od karbonskih vlakana.
To bi moglo objasniti sliku s kraja januara 2019. godine.
Ako pažljivo pogledaš, videćeš da su većina tih krhotina ostaci gorepomenutog kalema od karbonskih vlakana vrednog 20-ak miliona dolara. Samo 5 meseci nakon što su pokazali svoju prvu konstrukciju od karbonskih vlakana, inženjeri 'SpaceX-a' su potpuno odustali od ideje o karbonskim vlaknima.
Šta je sa nekim drugim materijalima koji bi možda mogli da dođu u obzir? Baš ništa. Sve što može podneti veću temperaturu, poput volframa, znatno je teže. Bilo koja legura čelika koja može podneti veću temperaturu, kao što su superlegure 'Hastealloy' ili 'Inconel', znatnosu skuplje i teže.
Sve što je lakše, poput aluminijuma ili titanijuma, neće izdržati visoke temperature, i postaće krhko na kriogenim temperaturama.
Bilo šta raditi sa nedovoljno poznatim kompozitnim ili keramičkim materijalima gotovo je nemoguće u ovoj razmeri, ili bi zahtevalo decenije mukotrpnih i skupih istraživanja da bi se radilo na njegovoj primeni na raketama.
Konačno, nerđajući čelik je samo totalni 'sweet_spot' na krivoj. Ima toliko dobrih svojstava – jednostavnost korištenja, cenu, temperaturnu otpornost, čvrstoću, otpornost na koroziju, itd. – da iako ne pobeđuje ni u jednoj posebnoj kategoriji, jedino ih on sve objedinjuje.
Na kraju gledano, 'SpaceX-ov' prelazak na nerđajući čelik je zbilja bio sjajan.
[1] Mask je 2016. svoju raketu za Mars nazvao BFR ('Big Falcon Rocket'), a kosmički brod BFS ('Big Falcom Ship'). Posle je to promenio...
