اکسیژن، عنصری ضروری برای زندگی و پیشرفتهای صنعتی، حدود ۲۱ درصد از اتمسفر زمین را تشکیل میدهد. این گاز که از پرکاربردترین گازهای صنعتی محسوب میشود، با استفاده از فرآیندهای برودتی به حالت مایع تبدیل میگردد. در هر دو حالت مایع و گازی، اکسیژن به رنگ آبی کمرنگ دیده میشود و خاصیت پارامغناطیسی بسیار قوی دارد، به طوری که اگر بین قطبهای یک آهنربای نعلیشکل قرار گیرد، به صورت معلق باقی میماند. اکسیژن مایع که به نام Liquid Oxygen (LOX) شناخته میشود، یک اکسیدکننده بسیار قدرتمند است. واکنش آن با سوختهایی همچون هیدروژن مایع، متان مایع یا نفت سفید اصلاحشده، انرژی فوقالعادهای تولید میکند که در فناوریهای پیشرفته مورد استفاده قرار میگیرد. واکنش اکسیژن مایع با هیدروژن مایع بهعنوان یکی از پرانرژیترین واکنشهای شیمیایی شناخته میشود و نیروی رانشی بسیار بالایی ایجاد میکند که برای پرتاب وسایل فضایی حیاتی است.
اکسیژن مایع نقش بسیار مهمی در فناوری فضایی ایفا میکند و به دلیل خواص منحصر به فرد خود، به یکی از اصلیترین مواد مورد استفاده در این حوزه تبدیل شده است. این ماده بهطور گسترده بهعنوان اکسیدکننده در ترکیب با سوختهای مختلف برای ایجاد نیروی محرکه در سامانههای پیشرانش موشکها به کار میرود. LOX با هیدروژن مایع واکنش داده و انرژی کافی برای غلبه بر نیروی جاذبه و دستیابی به مدارهای فضایی را فراهم میکند.
علاوه بر نقش کلیدی اکسیژن مایع در پیشرانش موشکها، کاربردهای دیگری نیز در فناوری فضایی دارد. از جمله میتوان به استفاده در سامانههای تأمین اکسیژن برای مأموریتهای سرنشیندار فضایی، فناوریهای مربوط به سوختگیری مجدد در فضا و تولید منابع داخلی در ایستگاههای فضایی اشاره کرد. این ویژگیها LOX را به یک ماده ضروری در گسترش مرزهای فناوری فضایی و انجام مأموریتهای طولانیمدت تبدیل کرده است.
مزایا و معایب اکسیژن مایع
مزایا:
- راندمان بالا: اکسیژن مایع در ترکیب با سوختهایی مانند هیدروژن مایع یا متان مایع واکنشهای شیمیایی بسیار پرانرژی ایجاد میکند که موجب تولید نیروی رانش قابلتوجهی میشود. این ویژگی آن را به یکی از اجزای اصلی سامانههای پیشرانش فضایی تبدیل کرده است.
- چگالی مناسب: به دلیل چگالی بالای اکسیژن مایع در مقایسه با حالت گازی، امکان ذخیره حجم بیشتری از این اکسیدکننده در مخازن کوچکتر فراهم میشود. این مزیت در طراحی فضاپیماها و کاهش حجم و وزن سامانههای ذخیرهسازی بسیار اهمیت دارد.
- پایداری در خلاء: اکسیژن مایع در شرایط خلاء و فشار پایین فضا عملکرد پایداری دارد و به طور مؤثری در سامانههای پیشرانش شیمیایی و سوخترسانی در فضا استفاده میشود.
- کاربردهای متنوع: علاوه بر استفاده در پیشرانش موشکها، اکسیژن مایع برای تأمین اکسیژن در مأموریتهای فضایی سرنشیندار و بهبود عملکرد تجهیزات حیاتی نیز به کار میرود.
- سهولت حملونقل: به دلیل چگالی بالا و امکان ذخیرهسازی در حالت مایع، حمل و نقل اکسیژن مایع نسبت به حالت گازی آسانتر و مقرونبهصرفهتر است.
- واکنشپذیری بالا: در ترکیب با سوختهای مختلف، بازدهی قابلتوجهی دارد که امکان اجرای مأموریتهای فضایی پیچیدهتر را فراهم میکند.
معایب:
- دمای بسیار پایین: اکسیژن مایع باید در دمای حدود ۱۸۳- درجه سانتیگراد نگهداری شود که نیازمند استفاده از سامانههای ذخیرهسازی و انتقال پیچیده، مانند مخازن دوجداره و مواد عایق حرارتی پیشرفته است. این امر هزینه تولید، حملونقل و نگهداری را افزایش میدهد.
- خطر اشتعال و انفجار: به دلیل واکنشپذیری بسیار بالای اکسیژن مایع، در تماس با مواد قابل احتراق یا حتی برخی فلزات، احتمال وقوع انفجار و حریق وجود دارد. این ویژگی نیازمند رعایت استانداردهای ایمنی سختگیرانه است.
- جوشش و تبخیر: حتی در صورت استفاده از مخازن عایق حرارتی پیشرفته، مقداری از اکسیژن مایع به دلیل تبادل حرارتی به گاز تبدیل میشود که منجر به هدررفت بخشی از آن و افزایش فشار در مخازن میگردد.
- محدودیتهای ذخیرهسازی بلندمدت: نگهداری طولانیمدت اکسیژن مایع چالشبرانگیز است، زیرا حتی تغییرات کوچک دما ممکن است منجر به تبخیر بخشی از ماده و ایجاد خطرات عملیاتی شود.
- حساسیت به شرایط محیطی: تغییرات دما، لرزشها و ضربههای ناگهانی میتوانند بر پایداری اکسیژن مایع تأثیر منفی بگذارند و خطراتی مانند نشت یا انفجار را افزایش دهند.
- نیاز به تجهیزات خاص: برای انتقال و استفاده از اکسیژن مایع در سامانههای فضایی، به تجهیزات و فناوریهای پیشرفته نیاز است که هزینههای کلی را بالا میبرد.
- نگرانیهای زیستمحیطی: در صورت نشت، اکسیژن مایع ممکن است به واکنشهای ناخواسته با مواد اطراف منجر شود و خطراتی برای محیطزیست و سلامت انسانها ایجاد کند.
اکسیژن مایع با وجود این چالشها به دلیل خواص منحصربهفرد و کارایی بالایش، همچنان یکی از حیاتیترین اجزا در سامانههای پیشرانش فضایی و دیگر کاربردهای صنعتی پیشرفته محسوب میشود.
کاربرد اکسیژن مایع در فناوری فضایی
در بیشتر پرتابهای فضایی، اکسیژن مایع به همراه سوختهایی نظیر هیدروژن مایع (نوعی نفت سفید اصلاحشده) استفاده میشود. ترکیب اکسیژن مایع و سوخت، یک واکنش شیمیایی بسیار شدید و پرانرژی ایجاد میکند که حرارت و فشار بسیار زیادی تولید کرده و به پرتاب موشک کمک میکند. موتورهای فضایی معروفی مانند موتورهای اصلی شاتل فضایی ناسا از اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به عنوان مواد اصلی استفاده میکردند.
نمونه
موتورهای شاتل فضایی (SSME)، موشکهای فالکون ۹ و فالکون هوی (SpaceX) ، استارشیپ (SpaceX )
ذخیره سازی و مدیریت
یکی از چالشهای اصلی در استفاده از اکسیژن مایع، ذخیرهسازی و انتقال ایمن آن است. دمای پایین مورد نیاز برای حفظ حالت مایع این ماده، نیازمند سامانههای خنککننده پیشرفته و تانکرهای عایق است. همچنین، خطرات احتمالی نشت یا واکنشهای ناگهانی اکسیژن مایع، استفاده از پروتکلهای دقیق ایمنی را ضروری میسازد.
اکسیژن مایع در مأموریتهای سرنشیندار، برای تأمین اکسیژن مورد نیاز فضانوردان در طول پرواز و اقامت در فضا استفاده میشود. اکسیژن مایع از حالت مایع به حالت گاز تبدیل شده و در سیستمهای تهویه و پشتیبانی حیات کابین مورد استفاده قرار میگیرد.
به دلیل دمای بسیار پایین، اکسیژن مایع میتواند در سیستمهای خنککننده برای جلوگیری از گرم شدن تجهیزات حساس مانند موتورهای موشک و مدارهای الکترونیکی فضاپیماها نیز استفاده شود. سیستمهای مدیریت حرارتی این امکان را فراهم میکنند که اجزای حساس در دمای مناسب و ایمن باقی بمانند.
نقش در مأموریت های فضایی آینده
اکسیژن مایع در برنامههای فضایی آینده نیز جایگاه ویژهای دارد. در مأموریتهای بلندمدت مانند سفر به مریخ، استفاده از اکسیژن مایع برای تولید نیروی محرکه و حتی به عنوان منبع تأمین اکسیژن تنفسی برای فضانوردان برنامهریزی شده است. علاوه بر این، فناوریهای جدیدی در حال توسعه هستند که تولید اکسیژن مایع از منابع موجود در فضا، مانند آب یا خاک سیارات دیگر، را ممکن میسازد.
نقش اکسیژن مایع در توسعه موتورهای کرایوژنیک فضایی( موتور راکت ها)
یکی از مهمترین دستاوردهای فناوری فضایی در قرن بیستم، توسعه موتورهای کرایوژنیک بود که اکسیژن مایع بهعنوان یکی از اجزای اصلی این فناوری نقش کلیدی ایفا میکند. این موتورها که برای تولید نیروی عظیم و دستیابی به بهرهوری بالا طراحی شدهاند، از ترکیب اکسیژن مایع با سوختهایی مانند هیدروژن مایع استفاده میکنند.
ویژگی های اکسیژن مایع برای موتورهای کرایوژنیک
اکسیژن مایع به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربهفرد، مناسبترین گزینه برای استفاده در موتورهای کرایوژنیک به شمار میرود:
- نقطه جوش پایین: به کاهش حجم و افزایش چگالی انرژی کمک میکند.
- توان واکنشپذیری بالا: واکنش با سوخت، انرژی زیادی تولید کرده و به راندمان بالای موتور کمک میکند.
- سازگاری با محیط خلأ: اکسیژن مایع در دماها و فشارهای پایین عملکرد پایداری دارد.
کاربرد تخصصی: موتورهای RS-68 مورد استفاده در راکت دلتا IV از ترکیب LOX و LH2 برای تولید رانش بالا بهره میبرند.
استفاده از اکسیژن مایع در موتورهای فضایی نیازمند غلبه بر چالشهای فنی متعددی است، از جمله:
- مدیریت انتقال حرارت: جلوگیری از تبخیر بیش از حد LOX با استفاده از عایقهای چندلایه و سامانههای سرمایش فعال.
- کنترل دقیق جریان: بهکارگیری پمپهای کرایوژنیک با دقت بالا برای تزریق اکسیژن مایع به محفظه احتراق.
- تطبیق مواد سازهای: استفاده از آلیاژهایی که در دماهای بسیار پایین، خواص مکانیکی خود را حفظ کنند.
مثال عملی: موتورهای فضایی F-1 ساترن V، بزرگترین موتورهای ساختهشده تاکنون، از LOX و RP-1 برای پرتاب مأموریتهای آپولو استفاده کردند.
استفاده از اکسیژن مایع در ماموریت های چند مرحله ای
در پرتابگرهای چندمرحلهای، انتخاب سوخت و اکسیدکننده در هر مرحله از اهمیت بالایی برخوردار است. اکسیژن مایع به دلیل انعطافپذیری و راندمان بالای خود، بهویژه در مراحل اصلی و بالایی راکتها کاربرد دارد.
مزایای اکسیژن مایع در مراحل اصلی پرتاب
در مرحله اول، اکسیژن مایع به دلیل توان تولید نیروی بالای خود برای غلبه بر جاذبه زمین انتخاب میشود.
- توان تولید فشار بالا: در ترکیب با سوختهایی مانند RP-1، خروجی گازها به حداکثر میرسد.
- پایداری در تزریق به محفظه احتراق: جریان پایدار LOX، احتراق بهینه را تضمین میکند.
استفاده از اکسیژن مایع در مراحل بالایی. Upper Stage
در مراحل بالایی، نیاز به کاهش وزن و افزایش راندمان است. اکسیژن مایع در این بخش نیز نقش اساسی دارد:
- ایجاد نیروی رانش در خلأ: LOX در واکنش با سوختهایی مانند هیدروژن مایع، راندمان ویژه بالایی را در شرایط خلأ ارائه میدهد.
- کاهش وزن محموله: چگالی بالای LOX امکان کاهش حجم مخازن سوخت را فراهم میکند.
کاربرد تخصصی: موتورهای RL-10 مورد استفاده در مراحل بالایی راکت اطلس V از LOX و LH2 برای رسیدن به مدارهای بالاتر استفاده میکنند.
اکسیژن مایع در فناوری ماه نشین ها
اکسیژن مایع علاوه بر پرتابگرها، در سامانههای پیشرانش ماهنشینها و سایر فضاپیماهای فرودگر نیز کاربرد دارد. این سامانهها نیازمند سوختهایی با راندمان بالا هستند که اکسیژن مایع بهعنوان اکسیدکننده نقش کلیدی در آنها ایفا میکند.
پیشرانش فرودگرهای ماه
فرودگرهای ماه مانند LEM آپولو از اکسیژن مایع بهعنوان اکسیدکننده برای کنترل دقیق فرود بر سطح ماه استفاده کردند.
- کنترل نیروی رانش: امکان تنظیم دقیق نیروی پیشران برای فرود ایمن.
- پایداری واکنش: عملکرد قابل اطمینان LOX در شرایط کمگرانش.
بازگشت به مدارماه
در مرحله بازگشت، اکسیژن مایع با ترکیب با سوخت مناسب، نیروی کافی برای بلند شدن از سطح ماه و رسیدن به مدار فراهم میکند.
اکسیژن مایع در سوخت منابع سوختی فضا
استفاده از اکسیژن مایع در محل (مانند ماه یا مریخ) از طریق فناوریهای ISRU به یکی از اهداف بزرگ مأموریتهای آینده تبدیل شده است.
استخراج از منابع محلی
با استفاده از آب یا اکسیدهای معدنی موجود در خاک ماه یا مریخ، اکسیژن میتواند از طریق الکترولیز تولید و به شکل اکسیژن مایع ذخیره شود.
- کاربرد دوگانه: بهعنوان اکسیدکننده سوخت و منبع اکسیژن تنفسی.
ذخیره سازی در محل
با توسعه مخازن عایق و فناوریهای کرایوژنیک، اکسیژن مایع میتواند در محل استخراج ذخیره شود تا در مأموریتهای آتی به کار رود.
مثال تخصصی: مأموریت آرتمیس ناسا به دنبال آزمایش این فناوریها بر روی ماه است.
مخازن ذخیره اکسیژن مایع باید سبک و در عین حال مقاوم باشند. از مواد پیشرفتهای مانند آلیاژهای آلومینیوم و کامپوزیتهای کربنی برای ساخت آنها استفاده میشود. سیستمهای عایقکاری چندلایه و سیستمهای فعال خنککننده برای جلوگیری از تبخیر اکسیژن مایع به کار میرود . برای انتقال ایمن اکسیژن مایع به محفظه احتراق، سیستمهای پیشرفته پمپگذاری طراحی میشوند که بتوانند با دما و فشار بالا سازگار باشند.
————————————————————————
منابع