Dlaczego NASA ani SpaceX nie używają ozonu jako utleniacza do paliw rakietowych?
Przypuszczalnie użycie ozonu byłoby drogie ($\ce{O3}$) jako utleniacz zamiast $\ce{O2}$, ale czy dodatkowa moc byłaby tego warta? Robi$\ce{O2}$ zapewnić tyle ciągu / energii / ciepła, ile można zapewnić, biorąc pod uwagę ciekły wodór pędny?
Pomyślałem, że w tym pytaniu chemia jest lepsza niż fizyka, inżynieria czy astronomia.
Odpowiedzi
Jak to zwykle bywa w przypadku paliw rakietowych, problemy związane z ozonem wynikają z praktyczności, a nie wydajności
Niemal każda odpowiedź na pytanie, dlaczego używany jest określony składnik paliwa rakietowego, kończy się odwołaniem do wspaniałej i błyskotliwie napisanej książki Johna D. Clarke'a: Ignition: An nieformalna historia płynnych paliw rakietowych (rzadka książka techniczna, którą warto przeczytać ze względu na błyskotliwy i humorystyczny styl oprócz treści technicznych).
Jego podsumowanie, dlaczego ozon, pomimo jego widocznych zalet funkcjonalnych, nie jest szerzej stosowany, jest dość proste: problemy praktyczne przeważają nad widocznymi zaletami.
Wskazuje na zalety:
To, co czyni go atrakcyjnym jako propelent, to to, że (1) jego gęstość cieczy jest znacznie wyższa niż ciekłego tlenu oraz (2) gdy jego mol rozkłada się na tlen podczas spalania, wydziela 34 kilokalorie, co zwiększa wydajność odpowiednio. Sänger był nim zainteresowany w latach 30-tych i zainteresowanie to trwa do dziś. W obliczu znacznego rozczarowania.
Ale każdy dostępny sposób tworzenia cieczy o dużej zawartości ozonu jest niebezpieczny. Ozon jest wyjątkowo toksyczny i niestabilny:
Ponieważ ma swoje wady. Najmniejszym z nich jest to, że jest co najmniej tak toksyczny jak fluor. ... O wiele ważniejszy jest fakt, że jest niestabilny - tak morderczy. Przy najmniejszej prowokacji, a czasami bez wyraźnego powodu, może eksplodować z powrotem w tlen. A ta rewersja jest katalizowana przez wodę, chlor, tlenki metali, zasady - i najwyraźniej przez pewne substancje, które nie zostały zidentyfikowane. W porównaniu z ozonem, nadtlenek wodoru ma wrażliwość ciężkiego zapaśnika.
Pracowano nad roztworami ozonu w ciekłym tlenie, który jest bardziej stabilny. Ma jednak tę wadę, że mieszaniny ozonu i tlenu rozdzielają się na dwie fazy, których bogata w ozon wersja jest trudna do uniknięcia w rurach zasilających po wypaleniu i jest wyjątkowo niestabilna. Kolejną mieszanką, która miała ułatwić obsługę, był płynny fluor (!!!).
Ostatecznie kończy znaną pracę nad wszelkiego rodzaju mieszaninami ozonu:
Ponieważ ozon wciąż wybucha. Niektórzy badacze uważają, że wybuchy są inicjowane przez ślady organicznych nadtlenków w materiale, które pochodzą np. Ze śladowych ilości oleju w tlenie, z którego został wytworzony. Inni pracownicy są przekonani, że eksplozja to po prostu natura ozonu, a jeszcze inni są pewni, że grzech pierworodny ma z tym coś wspólnego. Więc chociaż badania nad ozonem są kontynuowane w chaotyczny sposób, pozostało bardzo niewielu prawdziwych wierzących, którzy nadal są przekonani, że ozon w jakiś sposób pojawi się sam. Nie jestem jednym z nich.
Może są teoretyczne zalety, ale przeważają nad nimi problemy praktyczne i związane z bezpieczeństwem. W zawodzie przyzwyczajonym do testowania takich rzeczy jak FOOF (dwutlenek fluoru) i trifluorek chloru, jest to pewne przyzwolenie.
Ciekły ozon jest raczej stabilny (jak w przypadku „można go przechowywać”) jako do 70% roztwór w LOx, jeśli doda się pewne stabilizatory. To dałoby trochę dodatkowego doładowania rakiecie, ale z pewnością wybuchnie już w pompach paliwowych rakiety i rurkach, zamiast spalić się w dyszy silnika.
Silniki rakietowe są wystarczająco trudne do zbudowania, nie chcesz dodawać wymagania, że cały materiał jest taki, który nie katalizuje przedwczesnego rozkładu ozonu. Zwykle jest to niekontrolowany proces: rozkład podnosi temperaturę, temperatura zwiększa tempo rozkładu,… bum.