Warum verwenden die NASA oder SpaceX kein Ozon als Oxidationsmittel für Raketentreibstoffe?
Vermutlich wäre die Verwendung von Ozon teuer ($\ce{O3}$) als Oxidationsmittel anstelle von $\ce{O2}$, aber würde sich das extra oomph lohnen? Tut$\ce{O2}$ angesichts des flüssigen Wasserstoff-Treibmittels so viel Schub / Energie / Wärme wie möglich bereitstellen?
Ich dachte, Chemie wäre für diese Frage besser als Physik, Ingenieurwesen oder Astronomie.
Antworten
Wie bei Raketentreibstoffen üblich, sind die Probleme des Ozons die Praktikabilität und nicht die Leistung
Fast jede Antwort darauf, warum eine bestimmte Raketentreibstoffkomponente verwendet wird oder nicht, bezieht sich auf John D Clarkes großartiges und funkelnd geschriebenes Buch: Zündung: Eine informelle Geschichte flüssiger Raketentreibstoffe (ein seltenes technisches Buch, das wegen seines brillanten und humorvollen Stils lesenswert ist zusätzlich zum technischen Inhalt).
Seine Zusammenfassung, warum Ozon trotz seiner offensichtlichen funktionellen Vorteile nicht weiter verbreitet ist, ist ziemlich einfach: Die praktischen Probleme überwiegen die offensichtlichen Vorteile.
Er weist auf die Vorteile hin:
Was es als Treibmittel attraktiv macht, ist, dass (1) seine Flüssigkeitsdichte erheblich höher ist als die von flüssigem Sauerstoff, und (2) wenn ein Mol davon während der Verbrennung zu Sauerstoff zerfällt, gibt es 34 Kilokalorien Energie ab, was Ihre Energie erhöht Leistung entsprechend. Sänger war in den 30er Jahren daran interessiert, und das Interesse hat bis heute Bestand. Angesichts erheblicher Ernüchterung.
Jeder verfügbare Weg zur Erzeugung einer Flüssigkeit mit einem hohen Ozonanteil ist jedoch gefährlich. Ozon ist extrem giftig und instabil:
Denn es hat seine Nachteile. Das geringste davon ist, dass es mindestens so giftig ist wie Fluor. ... Viel wichtiger ist die Tatsache, dass es instabil ist - mörderisch. Bei der geringsten Provokation und manchmal ohne ersichtlichen Grund kann es explosionsartig zu Sauerstoff zurückkehren. Und diese Umkehrung wird durch Wasser, Chlor, Metalloxide, Alkalien und anscheinend durch bestimmte Substanzen katalysiert, die nicht identifiziert wurden. Wasserstoffperoxid hat im Vergleich zu Ozon die Empfindlichkeit eines Schwergewichts-Wrestlers.
Es wurde an Lösungen von Ozon in flüssigem Sauerstoff gearbeitet, der irgendwie stabiler ist. Hat aber den Nachteil, dass sich Ozon / Sauerstoff-Gemische in zwei Phasen trennen, deren ozonreiche Version nach dem Brennen in Speiserohren schwer zu verhindern ist und extrem instabil. Eine andere Mischung, die die Handhabung erleichtern sollte, war flüssiges Fluor (!!!).
Letztendlich schließt er die bekannten Arbeiten zu Ozonmischungen jeglicher Art ab:
Denn Ozon explodiert immer noch. Einige Forscher glauben, dass die Explosionen durch Spuren von organischen Peroxiden in dem Material ausgelöst werden, die beispielsweise von Spuren von Öl in dem Sauerstoff stammen, aus dem es hergestellt wurde. Andere Arbeiter sind davon überzeugt, dass es nur die Natur des Ozons ist, zu explodieren, und wieder andere sind sich sicher, dass die Erbsünde etwas damit zu tun hat. Obwohl die Ozonforschung in verzweifelter Weise fortgesetzt wurde, gibt es nur noch wenige wahre Gläubige, die immer noch davon überzeugt sind, dass Ozon eines Tages irgendwie zur Geltung kommen wird. Ich bin keiner von ihnen.
Vielleicht gibt es theoretische Vorteile, aber sie werden durch die praktischen und Sicherheitsprobleme aufgewogen. In einem Beruf, der es gewohnt ist, Dinge wie FOOF (Fluordioxid) und Chlortrifluorid zu testen, ist dies ein Eingeständnis.
Flüssiges Ozon ist als bis zu 70% ige Lösung in LOx ziemlich stabil (wie in "kann gelagert werden"), wenn Sie einige Stabilisatoren hinzufügen. Das würde einer Rakete einen zusätzlichen Schub verleihen, aber sie wird sicherlich bereits in den Kraftstoffpumpen und -schläuchen der Rakete explodieren, anstatt in der Motordüse zu brennen.
Raketentriebwerke sind schwierig genug zu bauen. Sie möchten nicht die Anforderung hinzufügen, dass das gesamte Material von einer Art ist, die eine vorzeitige Zersetzung von Ozon nicht katalysiert. Es ist normalerweise ein außer Kontrolle geratener Prozess: Zersetzung erhöht die Temperatur, Temperatur erhöht die Zersetzungsrate, .... Boom.