Podobnie jak papier, druk, banknoty, kompas, proch, fajerwerki i kilka innych rzeczy, rakiety są wynalazkiem pochodzącym z Chin. Działanie silnika rakietowego opiera się na zasadzie zachowania pędu: materiał napędowy wytwarza coś, co jest wyrzucane z dużą prędkością przez dysze, dzięki czemu powstaje siła pchająca rakietę w przeciwnym kierunku. Pęd jest wielkością fizyczną będącą iloczynem masy m i prędkości v, a zasada zachowania pędu ma postać matematyczną m₁v₁ = m₂v₂. Tłumaczy to, dlaczego rakieta porusza się z dużo mniejszą prędkością niż wyrzucane gazy odlotowe – musi, ponieważ ma dużo większą masę. Z drugiej strony paliwo rakietowe jest tym użyteczniejsze, im większą daje prędkość gazów odlotowych.
Zależnie od sposobu wytwarzania gazów odlotowych silniki rakietowe dzieli się na chemiczne (spalające paliwo), termiczne (z ogrzewanym materiałem pędnym) i jonowe (z materiałem pędnym przekształcanym w jony, przyśpieszane następnie przez pole elektryczne). Na początek warto powiedzieć co nieco o napędzie jonowym, stosowanym już praktycznie jako silniki manewrowe (satelity Starlink, chińska stacja kosmiczna Tiangong) lub napęd główny (sonda Deep Space 1, japońska sonda Hayabusa, która przywiozła na Ziemię próbki asteroidu, sonda BepiColombo mająca badać Merkurego). Jako materiał pędny stosuje się ciężkie gazy szlachetne, głównie ksenon (Starlinki wykorzystują krypton), gdyż są chemicznie bezpieczne i można je względnie łatwo przekształcić w jony o dużej masie.
Paliwa stałe
Chińczycy używali prochu strzelniczego jako paliwa rakietowego, czyli budowali rakiety chemiczne na paliwo stałe. Pierwsze doniesienia o chińskich rakietach pochodzą ze schyłkowego okresu panowania dynastii Song, z XIII wieku. Proch strzelniczy, zwany też prochem czarnym lub dymnym, stanowi mieszaninę siarki, węgla drzewnego i saletry potasowej KNO₃, służącej za utleniacz. Mieszanina ta spala się z wydzieleniem dużej ilości gazów (CO₂ i azotu), przy czym powstają też produkty stałe (zależne od użytej proporcji składników, ale głównie węglan potasu i siarczan(VI) potasu). I to właśnie produkty stałe tworzą dym. Podobne rakiety stosowali później Mongołowie, Persowie i Indusi. Rakiety z korpusami z lanego żelaza, o zasięgu przekraczającym 2 km, były w użyciu podczas drugiej wojny majsurskiej w XVIII wieku, sromotnie przegranej przez Anglików. Spowodowało to wzrost zainteresowania rakietami w Anglii w następnym stuleciu – projektowaniem odpowiednika indyjskiej broni trudnił się William Congreve.
Po drugiej wojnie światowej zajęto się doskonaleniem składu stałego paliwa rakietowego i wprowadzono najpierw mieszaninę smoły i chloranu(VII) potasu, potem zaś smołę zastąpiono nieutwardzonym kauczukiem syntetycznym. Silniki rakietowe na paliwo stałe wykorzystywano np. jako tzw. boostery startowe dla samolotów wojskowych, a później także do napędzania rakiet kosmicznych w pierwszej fazie lotu. Na przykład amerykańskie promy kosmiczne wspomagały się podczas startu dwoma silnikami na paliwo stałe, napędzanymi mieszanką chloranu(VII) amonu i zatomizowanego pyłu Al z dodatkiem tlenku żelaza (katalizator), kopolimeru butadien-kwas akrylowy-akrylonitryl (spoiwo) oraz żywicy epoksydowej (utwardzacz).
Paliwa ciekłe
Pierwsze silniki rakietowe na paliwo ciekłe opisał Konstanty Ciołkowski na początku XX wieku, natomiast pierwsze potwierdzone doniesienie o locie takiej rakiety pochodzi z roku 1926, kiedy to Robert H. Goddard wystrzelił pojazd napędzany mieszaniną ciekłego tlenu i benzyny. Większość konstrukcji tego typu stosowanych do dziś wykorzystuje paliwo dwuskładnikowe, w którym jeden składnik stanowi właściwe paliwo, a drugi – utleniacz. Ciekły tlen jako utleniacz stosowano także później, choć jego użycie wiąże się z poważnym zagrożeniem, gdyż jest on niezwykle reaktywną substancją. Dlatego od okresu międzywojennego próbowano znaleźć różne jego zamienniki, np. Niemcy eksperymentujący z samolotami rakietowymi i rakietami do zastosowań militarnych używali stężonego roztworu nadtlenku wodoru (także jako paliwa jednoskładnikowego, o czym za chwilę). Rakieta bojowa V-2 (V-1 był latającym pociskiem z silnikiem pulsacyjnym, nie rakietą) jako pierwszy obiekt zbudowany przez człowieka przekroczyła tzw. linię Karmana, uważaną za granicę między Ziemią a kosmosem. Była napędzana mieszanką 75-procentowego wodnego roztworu etanolu i ciekłego tlenu. Do wytworzenia etanolu na jeden start V-2 potrzeba było 30 ton ziemniaków…
Ciekły tlen jako utleniacz był też używany w napędzie głównym amerykańskich promów kosmicznych; właściwe paliwo stanowił w tym przypadku ciekły wodór, a oba skroplone gazy były przechowywane (rzecz jasna oddzielnie) w ogromnym cylindrycznym zbiorniku, odrzucanym w ostatniej fazie lotu. Ta mieszanka paliwowa stanowiła ogromne zagrożenie, ale była wykorzystywana dlatego, że spalanie wodoru w tlenie jest najbardziej egzoenergetyczną reakcją łatwą do przeprowadzenia (a przy okazji całkowicie bezpieczną dla środowiska, skoro jej produktem jest para wodna). Jednak inną poważną wadą tego układu jest to, że nie można go tankować z wyprzedzeniem, bo po pierwsze używane gazy, zwłaszcza wodór, „wyciekają” ze zbiornika, a po drugie – ich niska temperatura powoduje oszronienie powłoki rakiety.
Obecnie częściej rozważa się używanie paliwa ciekłego o nazwie metaloks. Jego nazwa angielska methalox pochodzi od składników: ciekłego metanu (ang. methane) i ciekłego tlenu (ang. liquid oxygen). Jest ono lub będzie stosowane w niektórych silnikach rakietowych prywatnych firm kosmicznych: SpaceX Elona Muska, Blue Origin Jeffa Bezosa i Firefly Aerospace. W porównaniu z wodorem ciekły metan ma dwie ważne zalety: wyższą temperaturę wrzenia (–161,5°C w por. z –252°C wodoru) i to, że nie powoduje korozji stali tak jak wodór.
Najmocniejszym otrzymanym paliwem rakietowym (tzn. takim, które daje największą szybkość gazów wylotowych) była kombinacja litu, fluoru i wodoru (ten ostatni był dodawany w celu poprawienia termodynamiki reakcji). Nigdy jednak nie zastosowano jej w praktyce z powodu problemów technicznych i zagrożenia. Wszystkie trzy składniki musiały być utrzymywane w stanie ciekłym, więc wodór musiał być oziębiony i izolowany, a lit – utrzymywany w temperaturze powyżej 180°C. Do tego dochodził jeszcze bardzo agresywny chemicznie fluor.
Szczególną odmianą paliwa dwuskładnikowego jest paliwo hipergolowe, które ulega samorzutnemu zapłonowi w chwili zmieszania paliwa właściwego z utleniaczem. Jako paliwo właściwe stosuje się najczęściej hydrazynę i jej metylopochodne; silnik Merlin firmy SpaceX wykorzystuje mieszaninę trietyloboranu z trietyloglinem (są to tzw. związki z deficytem elektronowym, wysoce reaktywne i podatne na utlenianie). Zastosowanie pochodnych borowodorów opisuje też Stanisław Lem, np. w powieści Niezwyciężony; co ciekawe, dają one płomień o zielonej barwie, podobnie jak estry boranowe (doświadczenie łatwe do przeprowadzenia w szkole).
Jako utleniacz w hipergolach może być używany ciekły tlen (tak jak w Merlinie), kwas azotowy(V), nadtlenek wodoru, tetratlenek diazotu (był stosowany w module załogowym misji Apollo).
Paliwo jednoskładnikowe (ang. monopropellant) jest mało trwałym związkiem chemicznym, który ulega gwałtownej reakcji rozkładu egzotermicznego w kontakcie z odpowiednim katalizatorem. Najczęściej stosuje się w tym celu hydrazynę, dla której katalizatorem są granulki aluminiowe pokryte irydem. Zachodząca reakcja rozkładu daje mieszaninę gazów odlotowych (azot, wodór i amoniak) o temperaturze 1000°C! Wadą tego systemu jest ograniczona żywotność katalizatora, który jest podatny na zatrucie. Inną substancją stosowaną jako jednoskładnikowe paliwo rakietowe jest silnie stężony roztwór nadtlenku wodoru (co najmniej 90%), którego rozkład zapoczątkowuje się także za pomocą katalizatora lub przez ogrzanie. Każdy chemik, który wykonywał doświadczenie z rozkładem perhydrolu pod wpływem MnO₂, dobrze wie, jak silnie egzotermiczna jest to reakcja…
Jeśli kogoś po przeczytaniu tego tekstu najdzie ochota na eksperymenty rakietowe, to warto zauważyć, że absolutnie bezpiecznym i łatwym do zbudowania „silnikiem rakietowym” jest silnik fizyczny oparty na dietetycznym napoju gazowanym, aktywowanym do szybkiego wydzielania CO₂ za pomocą mentosów. Potwierdzony rekord świata wysokości lotu takiej rakiety wynosi 830 m.
Tekst pierwotnie opublikowany na facebookowej stronie dla nauczycieli chemii Wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: Wikipedia; P. Elsztein, W kosmosie, Wydawnictwo Harcerskie „Horyzonty”, Warszawa 1973; S. Lem, Niezwyciężony, wyd. III, seria „Dzieła”, wydanie zbiorcze z Solaris, Wydawnictwo Literackie Kraków–Wrocław 1986; P. Elsztein, W kosmosie, Wydawnictwo Harcerskie „Horyzonty”, Warszawa 1973]
[ilustracje: 3DSculptor | Getty Images/iStockphoto; Ilustracja 21135455 © Skypixel | Dreamstime.com; Esther C. Goddard – Great Images in NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=56731; P. Elsztein, op.cit.; Eberhard Marx – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=35249660; NASA/Jack Pfaller; SpaceX; Wyd. Iskry; Ben Mills – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=924253; Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1149195]