This post is also available in: English
گاز اکسیژن یکی از مهمترین عناصر شناختهشده در جهان است که نقشی حیاتی در حیات موجودات زنده و نیز در فرآیندهای صنعتی و فناورانه دارد. این گاز بیرنگ، بیبو و بسیار واکنشپذیر است و در دمای پایین به حالت مایع تبدیل میشود. اکسیژن مایع یا همان LOX (Liquid Oxygen)، یکی از اساسیترین مواد در صنایع هوافضا و بهویژه در تولید سوختهای موشکی است.
در واقع، هر جا که احتراق نیاز به انرژی بالا و کنترلشده دارد، اکسیژن حضور پررنگی دارد. از جوشکاری صنعتی گرفته تا موتورهای پیشرفته فضاپیماها، این عنصر بهعنوان یک اکسیدکننده قوی شناخته میشود. در حوزهی فناوری موشکی، اکسیژن مایع معمولاً بهعنوان جزء اکسیدکننده در ترکیب سوختهای مایع مورد استفاده قرار میگیرد. بدون اکسیژن، حتی قویترین سوختها هم قادر به تولید نیروی پیشران لازم برای غلبه بر جاذبه زمین نیستند.
اکسیژن مایع چیست و چرا در سوخت موشک استفاده میشود؟
در دمای حدود −183°C اکسیژن از حالت گازی به مایع تبدیل میشود. این حالت مایع تراکم بالایی دارد و امکان ذخیره مقدار زیادی اکسیژن در حجم کم را فراهم میکند. به همین دلیل، در موشکها از اکسیژن مایع استفاده میشود تا بتوان با مقدار کمی فضا، مقدار زیادی اکسیدکننده در اختیار داشت.
در یک موتور موشک، احتراق باید در محیطی بدون حضور هوا انجام شود، زیرا در ارتفاعات بالا و فضای بیرونی، اکسیژن کافی وجود ندارد. در نتیجه، مهندسان مجبورند خودِ اکسیژن را همراه سوخت حمل کنند. این اکسیژن بهصورت مایع در تانکهای خاص ذخیره میشود و هنگام احتراق، به سوخت تزریق میگردد تا واکنش شیمیایی انجام گیرد و نیروی رانش تولید شود.
فرمول کلی واکنش به شکل زیر است:
“Fuel”+”Oxidizer (O₂)”→”Combustion Products”+”Energy”
در این واکنش، سوخت میتواند موادی مثل هیدروژن مایع (LH₂)، کروسین (RP-1) یا اتانول باشد. ترکیب اکسیژن مایع با هیدروژن مایع یکی از قویترین و پاکترین سامانههای پیشران را ایجاد میکند که در موشکهای فضایی مانند Saturn V یا Space Launch System ناسا استفاده میشود.
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی اکسیژن مایع
اکسیژن مایع دارای ویژگیهایی است که آن را برای استفاده در موشکها ایدهآل میکند:
چگالی بالا: حدود 1.14 g/cm³ که امکان ذخیره مقدار زیادی اکسیژن در حجم کم را فراهم میکند.
واکنشپذیری بسیار زیاد: در ترکیب با هیدروژن یا هیدروکربنها، انرژی آزادشده بسیار زیاد است.
دسترسی آسان: اکسیژن در جو زمین فراوان است و تولید آن از طریق تقطیر هوای مایع بهسادگی انجام میشود.
سازگاری زیستمحیطی: برخلاف بسیاری از اکسیدکنندههای دیگر مانند نیتروژن تترااکسید (N₂O₄)، محصولات احتراق LOX عمدتاً بخار آب و CO₂ هستند.
ایمنی نسبی در مقایسه با مواد سمی: اکسیژن مایع گرچه بسیار سرد و خطرناک در تماس مستقیم است، اما از نظر سمی بودن برای انسان، نسبت به اکسیدکنندههای شیمیایی بسیار ایمنتر است.
عملکرد اکسیژن در موتور موشک
موتور موشک شبیه یک محفظهی احتراق عظیم است که در آن، سوخت و اکسیدکننده با نسبت مشخصی ترکیب میشوند و با سرعت زیاد میسوزند. در این فرآیند، فشار زیادی تولید میشود و گازهای داغ حاصل از احتراق از نازل خارج میگردند. خروج سریع این گازها طبق قانون سوم نیوتن، نیروی پیشران مورد نیاز برای حرکت موشک را ایجاد میکند.
در چنین سامانهای، اکسیژن نقش کلیدی در کنترل دمای احتراق، راندمان و نیروی خروجی موتور دارد. مقدار کمی تغییر در نسبت اکسیژن به سوخت (به آن نسبت استوکیومتری گفته میشود) میتواند دما و راندمان کل موتور را بهشدت تغییر دهد.
اکسیژن مایع بهدلیل خواص ترمودینامیکی خاص خود، میتواند دمای احتراق را تا حدود ۳۵۰۰ درجه سلسیوس برساند و نیروی رانشی بسیار بالایی ایجاد کند. به همین دلیل، در بسیاری از موتورهای فضایی، اکسیژن مایع بهعنوان انتخاب نخست اکسیدکننده در نظر گرفته میشود.
مقایسه اکسیژن با سایر اکسیدکنندهها در سوخت موشک
در فناوری موشکی، انتخاب اکسیدکننده اهمیت زیادی دارد، چون مستقیماً بر راندمان، ایمنی و هزینهی پرتاب تأثیر میگذارد. مهندسان در طول دهههای گذشته انواع مختلفی از اکسیدکنندهها را آزمایش کردهاند، اما اکسیژن مایع (LOX) همچنان در صدر فهرست باقی مانده است. برای درک بهتر دلایل این انتخاب، نگاهی بیندازیم به مهمترین گزینههای جایگزین:
| بیشتر بخوانید: کاربرد کربن دی اکسید (CO2) در تبدیل به سوخت موشک |  |
1. نیتروژن تترااکسید (N₂O₄)
این ماده بهصورت خودکار با سوختهایی مانند هیدرازین واکنش میدهد (اصطلاحاً self-igniting)، بنابراین سیستم احتراق آن سادهتر است. اما از معایب اصلی آن میتوان به سمیبودن شدید، خورندگی بالا و اثرات مخرب زیستمحیطی اشاره کرد. در نتیجه، استفاده از آن بیشتر محدود به موشکهای نظامی و ماهوارهبرهای خاص شده است.
2. پراکسید هیدروژن (H₂O₂)
در گذشته، پراکسید هیدروژن غلیظ یکی از نخستین اکسیدکنندهها در موشکهای آزمایشی بود. این ماده گرچه نسبتاً پایدار است، اما قدرت اکسیدکنندگی آن کمتر از اکسیژن مایع است و نیاز به خنکسازی ندارد. به همین دلیل، برای مأموریتهای فضایی سنگین مناسب نیست.
| حتما بخوانید: اکسیژن مایع در فناوری فضایی |  |
3. ازن (O₃) و فلوئور (F₂)
ازن دارای قدرت اکسیدکنندگی فوقالعادهای است ولی ناپایدار است و بهراحتی تجزیه میشود. فلوئور نیز از قویترین اکسیدکنندههاست، اما بسیار خطرناک و خورنده است و با بیشتر مواد واکنش انفجاری دارد. به همین دلیل، استفادهی عملی از آن تقریباً کنار گذاشته شده است.
4. اکسیژن مایع (LOX)
در مقایسه با موارد بالا، LOX از نظر راندمان، پایداری، ایمنی و هزینه در تعادل است. محصول احتراق آن پاک است (آب و گاز کربندیاکسید)، حملونقل آن سادهتر است و بهراحتی با سوختهای مختلف سازگار میشود. به همین دلیل، بیشتر موتورهای فضایی مدرن از LOX استفاده میکنند.
در واقع، ترکیب هیدروژن مایع + اکسیژن مایع (LH₂/LOX) یکی از کارآمدترین سامانههای سوخت موشکی شناخته میشود، چون در هر کیلوگرم سوخت، انرژی بسیار زیادی آزاد میشود و گاز خروجی سبک (بخار آب) راندمان را بالا میبرد.
نقش اکسیژن مایع در فناوری موشکهای فضایی
در طراحی موتور موشکها، یکی از اهداف اصلی، دستیابی به بیشترین «رانش ویژه» (Specific Impulse) است؛ یعنی میزان نیرویی که از سوخت به دست میآید. LOX در این زمینه عملکرد درخشانی دارد. بیایید چند نمونه از کاربردهای مهم آن را بررسی کنیم:
1. موشکهای ناسا و برنامه آپولو
در موشک Saturn V که مأموریتهای آپولو را به ماه برد، مرحلهی دوم و سوم موتور از ترکیب LOX و LH₂ استفاده میکردند. این ترکیب رانشی معادل چند میلیون نیوتن تولید میکرد. دمای احتراق در این موتورها بیش از ۳۳۰۰°C بود و باعث میشد راندمان سوخت در بالاترین سطح ممکن قرار گیرد.
2. شاتل فضایی (Space Shuttle)
در شاتل فضایی نیز، مخزن بزرگ نارنجیرنگ حاوی اکسیژن مایع و هیدروژن مایع بود. هنگام پرتاب، این دو ماده در موتورهای اصلی با هم واکنش داده و بخار آب فوقالعاده داغ تولید میکردند که از نازل خارج میشد و نیروی عظیم پرتاب را به وجود میآورد.
3. موشکهای مدرن مانند Falcon 9
شرکت SpaceX در موشک Falcon 9 از ترکیب LOX با سوخت RP-1 (کروسین) استفاده میکند. این ترکیب از نظر هزینه مقرونبهصرفهتر از هیدروژن مایع است و در عین حال نیروی رانشی بالا و قابل کنترل دارد. یکی از ویژگیهای جالب این سامانه، قابلیت سوختگیری سریع و کارایی بالا در پرتابهای متوالی است.
4. کاربردهای نظامی و تحقیقاتی
در موشکهای بالستیک و آزمایشهای تحقیقاتی نیز از LOX استفاده میشود، چراکه امکان ذخیرهسازی نسبتاً ساده و راندمان بالا دارد. البته در مأموریتهایی که نیاز به آمادهسازی سریع دارند، از اکسیدکنندههای خوداشتعال استفاده میشود، ولی در پروژههایی که قدرت، پاکی و راندمان اهمیت دارد، اکسیژن مایع گزینهای ایدهآل است.
نکات ایمنی و ذخیرهسازی اکسیژن مایع
اکسیژن مایع، با وجود فواید فراوان، نیازمند رعایت دقیق اصول ایمنی است. این ماده در تماس با مواد آلی یا سوختی میتواند باعث احتراق سریع یا حتی انفجار شود. همچنین دمای بسیار پایین آن خطر سرمازدگی شدید و شکنندگی فلزات را در پی دارد.
در صنایع هوافضا، ذخیره و انتقال اکسیژن مایع تحت استانداردهای سختگیرانهای انجام میشود:
تانکهای دوجداره با خلأ بالا برای جلوگیری از تبخیر.
شیرها و اتصالات مخصوص استیل ضدزنگ برای مقاومت در برابر دمای پایین.
محیطهای عاری از روغن و چربی، زیرا این مواد در حضور LOX میتوانند بهصورت خودبهخود مشتعل شوند.
تهویه مناسب و کنترل نشتی برای جلوگیری از افزایش اکسیژن در محیط و خطر اشتعال.
در مراکز صنعتی، آموزش اپراتورها در زمینهی کار با اکسیژن مایع از اهمیت بالایی برخوردار است، چراکه حتی یک اشتباه کوچک میتواند منجر به خسارات جبرانناپذیر شود.
تأمین اکسیژن مایع و نقش شرکت سیال تأمین
تأمین اکسیژن مایع برای استفاده در صنایع هوافضا و موشکی نیازمند زیرساختهای خاص و استانداردهای بالاست. شرکت سیال تأمین بهعنوان یکی از پیشگامان عرضه گازهای صنعتی و میعانات گازی، تجربهی گستردهای در زمینه تولید، ذخیرهسازی و عرضه اکسیژن مایع دارد.
1. فرآیند تولید و خلوص اکسیژن مایع
اکسیژن مایع از تقطیر هوای مایع تولید میشود. این فرآیند شامل چند مرحله است:
فشردهسازی هوا – هوا تا فشار بالا فشرده میشود تا امکان تقطیر فراهم گردد.
تصفیه از ناخالصیها – گازهایی مانند CO₂ و H₂O از هوا جدا میشوند تا اختلالی در تقطیر ایجاد نکنند.
تقطیر جزئی و تفکیک اجزا – با استفاده از ستونهای تقطیر، اکسیژن از نیتروژن و آرگون جدا میشود.
سردسازی تا دمای مایع – اکسیژن به دمای حدود −183°C سرد میشود تا به حالت مایع تبدیل گردد.
نتیجهی این فرآیند، اکسیژن مایع با خلوص بالا (معمولاً بیش از ۹۹.۵٪) است که برای کاربردهای موشکی و فضایی مناسب است.
2. عرضه و خرید اکسیژن مایع از سیال تأمین
شرکت سیال تأمین با داشتن تانکها و سیستمهای انتقال ایمن، قادر است اکسیژن مایع را به مراکز صنعتی و پژوهشی تحویل دهد. مهمترین عوامل مؤثر در تأمین این ماده عبارتند از:
خلوص مورد نیاز مشتری: هرچه خلوص بالاتر باشد، فرآیند تولید پیچیدهتر و هزینه بالاتر میرود.
حجم سفارش: خرید عمده باعث کاهش هزینهی هر لیتر میشود.
شرایط نگهداری و حمل: تانکها و تجهیزات ویژه برای حفظ دمای پایین اکسیژن مایع مورد نیاز است.
فواصل حمل و زمان تحویل: جابجایی طولانی نیازمند تانکهای مجهز به عایقهای خاص و مانیتورینگ فشار است.
شرکت سیال تأمین با رعایت استانداردهای بینالمللی و استفاده از تجهیزات مدرن، امکان تحویل ایمن و سریع اکسیژن مایع را فراهم میآورد.
3. کاربردهای صنعتی و آینده
اکسیژن مایع نه تنها در صنعت موشکی، بلکه در صنایع دیگر نیز کاربرد دارد:
صنایع فلزی: برای برش و جوشکاری با انرژی بالا
پالایشگاهها و صنایع شیمیایی: بهعنوان اکسیدکننده در واکنشهای شیمیایی
پژوهشهای فضایی و دانشگاهی: برای آزمایشهای علمی و توسعه موتورهای پیشران
در آینده، با توسعه برنامههای فضایی ایران و افزایش پروژههای تحقیقاتی، نیاز به اکسیژن مایع با خلوص بالا و عرضه مطمئن بیش از پیش خواهد شد. شرکت سیال تأمین با زیرساختهای موجود و تجربهی گسترده، در موقعیتی مناسب برای پاسخگویی به این نیازها قرار دارد.
گاز اکسیژن، بهویژه در حالت مایع، یکی از مهمترین عناصر در فناوری موشکی و فضایی است. توانایی آن در ایجاد احتراق قوی و تولید نیروی رانش بالا، آن را به انتخاب اول مهندسان موشک تبدیل کرده است.
مزایای LOX عبارتند از:
راندمان بالا و نیروی خروجی قوی
تولید محصولات احتراق پاک
قابلیت ذخیرهسازی فشرده و نسبتاً ایمن
سازگاری با انواع سوختهای مایع
همچنین، رعایت اصول ایمنی، نگهداری در تانکهای مخصوص و آموزش اپراتورها، از عوامل کلیدی در استفاده موفق از اکسیژن مایع است.
شرکت سیال تأمین با ارائه اکسیژن مایع با خلوص بالا، تحویل مطمئن و رعایت استانداردهای بینالمللی، نقش مهمی در توسعه صنایع هوافضا و موشکی ایران ایفا میکند. از طریق همکاری با این شرکت، پژوهشگران و صنایع میتوانند به اکسیژن مایع با کیفیت و ایمنی بالا دسترسی داشته باشند و پروژههای فضایی و صنعتی خود را با اطمینان ادامه دهند.
————————————————–
منابع
• Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2017). Rocket Propulsion Elements (9th ed.). John Wiley & Sons. Colorado Mountain College
• Tomsik, T. M. (1997). Performance Tests of a Liquid Hydrogen Propellant Concept (NASA Tech. Report). NASA NTRS. NASA Technical Reports Server
• Halchak, J. A. (2018). Materials for Liquid Propulsion Systems (NASA Technical Report). NASA NTRS. NASA Technical Reports Server
• “Liquid Rocket Engine” — engineering overview. ScienceDirect Topics (article page providing technical overview of liquid rocket engines and propellants). ScienceDirect
• “Liquid Cryogenic Fuel & Oxidizer” — review article on cryogenic propellants (IJPS / review). ijpsjournal.com
• “Specific Impulse Calculations of High Energy Density …” — ResearchGate (specific-impulse and performance calculations for cryogenic propellants). ResearchGate
• OSHA. (n.d.). 1910.104 — Oxygen. U.S. Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration (OSHA) — safety standard for oxygen systems. OSHA
• Air Products. Safe handling of cryogenic liquids (Safetygram). — practical industry guidance on LOX handling and precautions. Air Products
