Qual è l'impronta di carbonio dei viaggi nello spazio?

Qual è l'impronta di carbonio dei viaggi nello spazio?

Chi non sarebbe potuto rimanere impressionato dal recente incredibile lancio di Space X con equipaggio il 30 maggio? Due astronauti hanno lasciato con successo l'atmosfera terrestre per attraccare alla stazione spaziale internazionale su un razzo semi riutilizzabile. Si è trattato chiaramente di un risultato incredibile e ha riportato gli USA all'avanguardia nei viaggi spaziali. Inoltre questo passo significativo ci avvicina ai voli con equipaggio su Marte, che credo che molto probabilmente avverrà entro il prossimo decennio. Mi piace l'idea della NASA di esternalizzare le "cose facili" in modo da potersi concentrare sul premio più grande di Marte!

Osservare il lancio mi ha fatto pensare all'impronta di carbonio e all'impatto ambientale dello spostamento della capsula Dragon di 400 chilometri nello spazio per incontrare la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Sono rimasto sorpreso di quanto sia difficile rispondere alla domanda sull'impronta di carbonio - e più preoccupante è stato il fatto che la matematica è stata dubbia dove la gente ha avuto un'esperienza - così ho messo insieme vari numeri da tutto Internet per cercare di capire il numero - i miei calcoli sono inferiori, quindi sentitevi liberi di sfidare la logica di fondo.

Calcolo dell'impronta di carbonio

Il razzo Falcon 9 è alimentato da 9 motori Merlin. I motori Merlin generano circa 1,7 milioni di libbre di spinta a piena potenza, consumando un mix di cherosene super freddo e propellenti criogenici a ossigeno liquido. Circa 155 tonnellate di cherosene liquido raffreddato vengono consumate durante il lancio insieme a 362 tonnellate di ossigeno liquido. È un sacco di carburante seduto proprio sotto i nostri due astronauti. Non solo viene bruciato carburante per l'aviazione di alta qualità, ma anche molto ossigeno viene consumato nel processo di combustione. Qual è l'impronta di carbonio del lancio?

• Il cherosene ha un'intensità di carbonio di 3Kg di carbonio per Kg di cherosene [I]. Quindi, il carbonio generato dal cherosene utilizzato per il lancio è di 465 tonnellate.

• L'ossigeno utilizzato è prodotto da un processo criogenico che utilizza l'elettricità per raffreddare l'aria per rilasciare l'ossigeno. Supponendo che lo stoccaggio e il trasporto siano relativamente efficienti e che l'elettricità di rete sia usata per produrre l'ossigeno, allora il carbonio emesso nella produzione dell'ossigeno è di altre 650 tonnellate (vedi calcolo sotto).

Quindi l'impronta di carbonio totale del cherosene e dell'ossigeno è di circa 1115 tonnellate. L'impronta di carbonio annuale dei "278" cittadini medi del mondo. In tutta onestà mi sarei aspettato che fosse molto maggiore.

C'è la possibilità che l'ossigeno venga prodotto utilizzando elettricità a zero emissioni di carbonio - ma dato che nessuno ne parla, dubito che questo stia accadendo (sarei felice di essere corretto!).

Confrontandolo con il volo convenzionale, un Boeing 747 brucia circa 4 litri di carburante al secondo; volare da Londra a New York in totale utilizza circa 70 tonnellate con un'impronta di carbonio di circa 210 tonnellate di carbonio per ogni direzione. Confrontando questo dato con il nostro lancio, stiamo utilizzando circa l'equivalente di 5 voli transatlantici di andata e ritorno.

Un'altra misura è rappresentata dalle emissioni per passeggero/per km percorso - che per il recente viaggio verso l'ISS di soli due viaggi di andata e ritorno è di circa 700 kg/km (ho ipotizzato 400 km per ogni tratta senza carburante bruciato al ritorno), a fronte di 0,133 kg/km per il volo interno o 177 kg/km per il viaggio in auto [ii]. Questo migliora notevolmente una volta che la capsula Dragon ha un complemento completo di 7 astronauti.

È probabilmente stupido paragonare i viaggi nello spazio con i viaggi in treno e in aereo - tuttavia mostra quanta energia viene utilizzata in modo comparativo e di conseguenza quanto carbonio viene emesso.

Altre considerazioni

Penso che quanto detto sopra possa essere un po' più alto, se si aggiungono le perdite nel trasporto e nella produzione di entrambi i carburanti. Ho faticato a trovare dati su questo, ma è probabile che aumentino ulteriormente l'impronta ecologica. Un passo enorme nella decarbonizzazione dei viaggi spaziali sarebbe quello di generare e trasportare tutto quell'ossigeno usando elettricità verde a zero emissioni di carbonio!

Ci sono alcuni altri impatti interessanti dei viaggi spaziali che riguardano i luoghi in cui si verificano le emissioni, ad esempio la fuliggine nell'alta atmosfera e l'impoverimento dello strato di ozono [v]. Non mi sono soffermato su questi qui perché sono super complessi e non sembra esserci troppa chiarezza nella scienza sull'impatto. Tuttavia, stanno diventando sempre più importanti con l'aumento del numero di lanci di razzi.

Conclusione

Ogni anno a livello globale ci sono circa 100 lanci spaziali all'anno - tuttavia, con il turismo spaziale e il numero crescente di lanci di satelliti, questo numero è destinato a salire a ben oltre 1000 [iii]. Se prendiamo il nostro numero di carbonio per il nostro lancio, arriviamo a un'impronta di carbonio per i viaggi spaziali di circa 3,1 milioni di tonnellate nel giro di pochi anni - insieme ai danni allo strato di ozono e alla fuliggine nell'alta atmosfera. Man mano che i viaggi spaziali si espandono e Marte sembra sempre più possibile, diventerà sempre più importante gestire l'impronta di carbonio qui sulla terra delle nostre aspirazioni di esplorare il nostro sistema solare.

Se volete vedere la vera potenza alzate il volume e cliccate play su questo incredibile video di un motore Merlin in prova!

e se volete vederlo di nuovo - ecco il lancio!

Un po' di matematica!

Non ci sono molti dati liberamente disponibili sull'intensità di carbonio dell'ossigeno liquido. Così ho preso un esempio di impianto di ossigeno da 300kW[iv] utilizzando 300kw di elettricità per produrre 2 tonnellate in un giorno. Per produrre una tonnellata di ossigeno liquido sono necessari circa 3,6MWHr di elettricità. Per produrre le 362 tonnellate di ossigeno liquido necessarie per il lancio sono quindi necessari 1300MWHr di elettricità. L'intensità media di carbonio della rete negli Stati Uniti è di 0,5 tonnellate di anidride carbonica per MWHr. Pertanto il carbonio generato nella produzione dell'ossigeno per il lancio è di circa 650 tonnellate se si utilizza l'elettricità "standard" della rete elettrica statunitense. Dove l'ossigeno viene prodotto conta davvero qui - se fosse prodotto nella cintura solare della California sarebbe molto meno che se si utilizzasse l'elettricità dal carbone. La geografia è davvero importante quando si tratta di intensità di carbonio!

[i] www.engineeringtoolbox.com/co2-emission-fuels-d_1085.html

[ii] www.bbc.co.uk/news/science-environment-49349566

[iii] www.space.com/elon-musk-starship-spacex-flights-mars-colony.html

[iv] advancedtech.airliquide.com/liquid-oxygen-lox-plant

[v] www.sciencefocus.com/space/are-space-launches-bad-for-the-environment/