Le méthane liquide est le méthane refroidi en dessous de son point de condensation, soit à pression atmosphérique (). Il a une masse volumique de ..
Il est généralement désigné par l'acronyme « LCH4 » pour les applications astronautiques. C'est un combustible utilisé depuis peu dans l'astronautique notamment par SpaceX et son moteur Raptor ou Blue Origin et le moteur BE-4 en développement.
vignette|Moteur Raptor lors d'un test.
Propriétés combustibles Le méthane est un combustible qui compose jusqu'à 90 % le gaz naturel. Son point d'auto-inflammation dans l'air est de . La réaction de combustion du méthane s'écrit :
+ 2 → + 2 ΔH = .
La combustion du méthane à libère une énergie de ()Le pouvoir calorifique à vaut PCI = et le volume molaire V = donc PCI/V = . La masse molaire vaut M = donc PCI/M = ., soit () = ..
Utilisation comme ergol en astronautique Le méthane liquide présente plusieurs avantages opérationnels qui le rendent compétitif avec l'oxygène liquide (LOX) par rapport à l'hydrogène liquide (LH2) malgré une impulsion spécifique théorique d'environ , contre environ pour le système LOX/LH2, soit une valeur 16 % inférieure. En effet, les technologies de moteurs-fusées à ergols liquides des permettent d'opérer à des pressions plus élevées qui améliorent sensiblement leurs performances, tandis que la liquéfaction du méthane et la manipulation du méthane liquide requièrent des installations moins complexes et moins coûteuses que celles nécessaires pour l'hydrogène liquide., bien plus froid : les intervalles de températures auxquelles ces substances existent à l'état liquide à pression atmosphérique sont de pour le dioxygène, pour le méthane liquide, mais pour le dihydrogène.
Cependant, ces intervalles, trop rapprochés, de températures auxquelles ces deux réactifs existent à l'état liquide sont responsables d'une instabilité de combustion : il n’y a plus d'état de matière évident pendant la vaporisation (possiblement incomplète) et la combustion.. En outre, les deux réactifs sont miscibles, ce qui augmente leur potentiel explosif..
Cependant, face au couple LOX/RP-1 ayant une impulsion spécifique comprise entre , légèrement inférieure à celle obtenue avec le méthane, les avantages sont moindres : le léger gain d'impulsion spécifique nécessite un système de refroidissement et de pressurisation, certes plus simple que celui requis pour le LH2, mais beaucoup plus complexe que le système requis pour le RP-1, utilisable à température ambiante. C'est pourquoi cet ergol n'avait jamais été utilisé pour des lanceurs spatiaux.
Toutefois, l'utilisation du méthane liquide avec l'oxygène liquide requiert une isolation thermique entre les deux moins importante que celle devant isoler le RP-1 ou le LH2 du LOX : deux réservoirs avec un fond commun sont possibles.
En revanche, par rapport au RP-1, l'utilisation du méthane ne produit pas de suies ou de noir de carbone et n'encrasse pas les moteurs, ce qui simplifie leur remise en état pour une éventuelle réutilisation et est encore moins polluante, y compris en prenant en compte les émissions de dioxyde de carbone grâce à son rapport H/C de 4, le plus élevé de tous les hydrocarbures (contre environ 2 pour les hydrocarbures saturés comme le RP-1).. De plus, en remplaçant l'hydrogène, le méthane permet d'éviter tous les problèmes liés à la fragilisation par l'hydrogène, simplifiant là encore une réutilisation.
Autre intérêt du méthane liquide comme ergol combustible, il peut être produit localement sur la planète Mars par une combinaison de réaction de Sabatier et de réaction du gaz à l'eau inverse (RWGS) dans le cadre de technologies d'utilisation des ressources in situ (ISRU)...
Ces deux derniers points sont responsables du regain d'intérêt pour cet ergol au début des années 2020. Alors que seules quelques entreprises avaient effectué des études et une construction en petite série, ainsi par exemple des études préliminaires avaient été menées dans les par Rocketdyne sur le moteur dans le cadre du programme Constellation de la NASA, annulé en 2010, cette technologie est développée par plusieurs constructeurs américains, européens, russes et chinois.
La « course au lanceur orbital au methalox » ou « course au méthane » (« methalox race to orbit »), surnommée ainsi dans les médias, est remportée le par le lanceur Zhuque-2 propulsé par ses moteurs , après l'échec de sa première tentative de lancement en , suivie des échecs au lancement de Terran 1 () et du Starship ().
vignette|Schéma de combustion du moteur Raptor de SpaceX.
+Moteurs utilisant le méthane liquide Pays/Agence Constructeur Lanceur Moteur Poussée (vide) () Lanceurs orbitaux Rocketdyne Altair 24,5 XCOR Aerospace Plusieurs moteurs testés Firefly Space Systems Firefly Alpha FRE-2 (aerospike) / FRE-1 (vide) 560 / 31 (performances visées avec du RP-1) Masten Space Systems Broadsword 160 Masten Space Systems Étage supérieur Cutlass 110 SpaceX Starship/Superheavy Raptor 2 116 Blue Origin New Glenn, Vulcan BE-4 2 714 / Rocket Lab Neutron Archimedes Relativity Space Terran 1, Terran R Aeon 1, R et Vac Stoke Space Nova Ursa Major Technologies Arroway 890 (niveau de la mer) KBKhA Amour RD-0169 KBKhA RD-0146M 64,7 Lanceurs de Success Rockets / Avio/KBKhA Vega E M10 98 Avio M60 600 Pangea Aerospace Arcos 300 ESA ArianeGroup Ariane Next, Maïa Prometheus 1 000 / The Exploration Company Capsule Nyx LandSpace Zhuque-2 (moteur vernier de TQ-12) 80 LandSpace Zhuque-2 712 LandSpace Zhuque-2 iSpace Hyperbola-2 JD-1 150 Jiuzhou Yunjian Darwin-1, lanceur de Space Epoch Lingyun-70 676 Jiuzhou Yunjian Darwin-1 Lingyun-10 122 IHI GX 100 ZERO COSMOS 130 Perigee Aerospace Blue Whale 1 Blue 1S et Skyblue (vide) 34 / 4.3 Atterrisseurs Johnson Space Center/Armadillo Aerospace Morpheus HD5 24 Intuitive Machines Nova-C VR900 4
Notes et références Notes
Références
Annexes Articles connexes Cryogénie Propergol liquide LOX Ergol Astronautique
Liens externes Encyclopédie d'Air Liquide : Méthane Lox/LCH4, Encyclopedia Astronautica
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