Ossigeno liquido - Liquid oxygen
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L'ossigeno liquido, abbreviato LOx , LOX o Lox nell'industria aerospaziale , sottomarina e del gas , è la forma liquida dell'ossigeno molecolare . È stato utilizzato come ossidante nel primo razzo a propellente liquido inventato nel 1926 da Robert H. Goddard , un'applicazione che è continuata fino ad oggi.
Proprietà fisiche
L'ossigeno liquido ha un colore azzurro pallido ed è fortemente paramagnetico : può essere sospeso tra i poli di un potente magnete a ferro di cavallo . L'ossigeno liquido ha una densità di 1.141 g/L (1,141 g/ml), leggermente più denso dell'acqua liquida, ed è criogenico con un punto di congelamento di 54,36 K (-218,79 ° C; -361,82 ° F) e un punto di ebollizione di - 182,96 ° C (-297,33 ° F; 90,19 K) a 1 bar (15 psi). L'ossigeno liquido ha un rapporto di espansione di 1:861 sotto 1 atmosfera standard (100 kPa ) e 20 °C (68 °F), e per questo motivo viene utilizzato in alcuni aerei commerciali e militari come fonte trasportabile di ossigeno respirabile.
A causa della sua natura criogenica, l'ossigeno liquido può rendere estremamente fragili i materiali che tocca. L'ossigeno liquido è anche un agente ossidante molto potente: i materiali organici bruceranno rapidamente ed energicamente in ossigeno liquido. Inoltre, se imbevuti di ossigeno liquido , alcuni materiali come bricchette di carbone, nerofumo , ecc., possono esplodere in modo imprevedibile da fonti di ignizione come fiamme, scintille o impatto da colpi di luce. I prodotti petrolchimici , compreso l' asfalto , mostrano spesso questo comportamento.
La molecola di tetraossigeno (O 4 ) fu predetta per la prima volta nel 1924 da Gilbert N. Lewis , che la propose per spiegare perché l'ossigeno liquido sfidava la legge di Curie . Le moderne simulazioni al computer indicano che, sebbene non ci siano molecole di O 4 stabili nell'ossigeno liquido, le molecole di O 2 tendono ad associarsi in coppia con spin antiparalleli , formando unità O 4 transitorie .
L'azoto liquido ha un punto di ebollizione inferiore a -196 ° C (77 K) rispetto a -183 ° C (90 K) dell'ossigeno e i recipienti contenenti azoto liquido possono condensare l'ossigeno dall'aria: quando la maggior parte dell'azoto è evaporata da un tale recipiente, esiste il rischio che l'ossigeno liquido residuo possa reagire violentemente con il materiale organico. Al contrario, l'azoto liquido o l'aria liquida possono essere arricchiti di ossigeno lasciandoli riposare all'aria aperta; l'ossigeno atmosferico si dissolve in esso, mentre l'azoto evapora preferenzialmente.
La tensione superficiale dell'ossigeno liquido al suo punto di ebollizione a pressione normale è 13,2 dyn/cm.
Usi
In commercio, l'ossigeno liquido è classificato come gas industriale ed è ampiamente utilizzato per scopi industriali e medici. L'ossigeno liquido è ottenuto dall'ossigeno naturalmente presente nell'aria mediante distillazione frazionata in un impianto criogenico di separazione dell'aria .
Le forze aeree hanno da tempo riconosciuto l'importanza strategica dell'ossigeno liquido, sia come ossidante che come fornitura di ossigeno gassoso per la respirazione negli ospedali e nei voli aerei ad alta quota. Nel 1985 l'USAF ha avviato un programma di costruzione dei propri impianti di generazione di ossigeno in tutte le principali basi di consumo.
Nel propellente per razzi
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L'ossigeno liquido è il propellente ossidante liquido criogenico più comune per applicazioni di razzi spaziali , solitamente in combinazione con idrogeno liquido , cherosene o metano .
L'ossigeno liquido è stato utilizzato nel primo razzo a propellente liquido . Il missile V-2 della seconda guerra mondiale utilizzava anche ossigeno liquido sotto il nome di A-Stoff e Sauerstoff . Negli anni '50, durante la Guerra Fredda, sia i razzi Redstone e Atlas degli Stati Uniti , sia l' R-7 Semyorka sovietico utilizzavano ossigeno liquido. Successivamente, negli anni '60 e '70, le fasi di ascesa dei razzi Apollo Saturn e i motori principali dello Space Shuttle utilizzavano ossigeno liquido.
Nel 2020, molti razzi utilizzano ossigeno liquido:
- Programma spaziale cinese : Lunga Marcia 5 e sue derivazioni Lunga Marcia 6 , Lunga Marcia 7
- Organizzazione indiana per la ricerca spaziale : GSLV
- JAXA (Giappone): H-IIA e H3 (in fase di sviluppo)
- Roscosmos (Russia): Soyuz-2 e Angara (in sviluppo)
- ESA ( UE ): Ariane 5 e Ariane 6 (in fase di sviluppo)
- stati Uniti
- SpaceX : Falcon 9 , Falcon Heavy e Starship (in fase di sviluppo) (ossigeno liquido raffreddato a -207 °C (-340,6 °F; 66,1 K), 10% più denso di 1.250 g/L (1,25 g/ml) rispetto alla temperatura di ebollizione)
- United Launch Alliance : Atlas V , Delta IV , Delta IV Heavy , Vulcan (in sviluppo)
- Northrop Grumman : Antares 230+
- Blue Origin : New Shepard e New Glenn (in fase di sviluppo)
- Rocket Lab : Electron
- Firefly Aerospace : Firefly Alpha (in fase di sviluppo)
- Virgin Orbit : LauncherOne
Storia
- Nel 1845, Michael Faraday era riuscito a liquefare la maggior parte dei gas allora conosciuti. Sei gas, tuttavia, resistettero a ogni tentativo di liquefazione e all'epoca erano conosciuti come "gas permanenti". Erano ossigeno, idrogeno , azoto , monossido di carbonio , metano e ossido nitrico .
- Nel 1877, Louis Paul Cailletet in Francia e Raoul Pictet in Svizzera riuscirono a produrre le prime goccioline di aria liquida.
- Nel 1883, i professori polacchi Zygmunt Wróblewski e Karol Olszewski produssero la prima quantità misurabile di ossigeno liquido.