Scritto da Beverly Perry
Cosa hanno in comune l’acqua e l’alluminio?
Se hai indovinato che acqua e alluminio fanno volare l’SLS, datti una stella d’oro!
La chimica è alla base del funzionamento dei razzi. La propulsione dei razzi segue la terza legge di Newton, che afferma che per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Per far partire un razzo dalla rampa di lancio, crea una reazione chimica che spari gas e particelle da un’estremità del razzo e il razzo andrà nella direzione opposta.
Quale tipo di reazione chimica fa uscire gas caldi dall’estremità di un razzo con una velocità sufficiente a liberarlo dalla gravità della Terra? Combustione.
Che si tratti del tuo veicolo personale o di un veicolo di lancio colossale come SLS, le basi sono le stesse. La combustione (bruciare qualcosa) rilascia energia, che fa andare le cose. Iniziate con del combustibile (qualcosa da bruciare) e un ossidante (qualcosa che lo faccia bruciare) e ora avete il propellente. Dagli una scintilla e l’energia viene rilasciata, insieme ad alcuni sottoprodotti.
Per far volare SLS, la combustione avviene in due aree primarie: i motori principali (quattro Aerojet Rocketdyne RS-25s) e i due booster a razzo solido (costruiti da Orbital ATK) che forniscono più del 75% della spinta al decollo. La combustione alimenta entrambi i sistemi di propulsione, ma i combustibili e gli ossidanti sono diversi.
I motori principali RS-25 sono chiamati “motori liquidi” perché il carburante è idrogeno liquido (LH2). L’ossigeno liquido (LOX) serve come ossidante. I booster, invece, usano alluminio come combustibile con perclorato di ammonio come ossidante, mescolato con un legante che crea un unico propellente solido omogeneo.
Fare acqua fa volare SLS
L’idrogeno, il carburante per i motori principali, è l’elemento più leggero e normalmente esiste come gas. I gas – specialmente l’idrogeno leggero – sono a bassa densità, il che significa che un po’ di esso occupa molto spazio. Averne abbastanza per alimentare una grande reazione di combustione richiederebbe un serbatoio incredibilmente grande per contenerlo – l’opposto di ciò che è necessario per un veicolo di lancio progettato aerodinamicamente.
Per aggirare questo problema, trasformare l’idrogeno gassoso in un liquido, che è più denso di un gas. Questo significa raffreddare l’idrogeno a una temperatura di -423 gradi Fahrenheit (-253 gradi Celsius). Davvero freddo.
Anche se è più denso dell’idrogeno, l’ossigeno deve essere compresso in un liquido per entrare in un serbatoio più piccolo e leggero. Per trasformare l’ossigeno nel suo stato liquido, viene raffreddato a una temperatura di -297 gradi Fahrenheit (-183 gradi Celsius). Mentre questo è mite rispetto all’LH2, entrambi gli ingredienti del propellente hanno bisogno di un trattamento speciale a queste temperature. Inoltre, i criogenici LH2 e LOX evaporano rapidamente a pressione e temperatura ambiente, il che significa che il razzo non può essere caricato con il propellente fino a poche ore prima del lancio.
Una volta nei serbatoi e con il conto alla rovescia del lancio vicino allo zero, l’LH2 e il LOX vengono pompati nella camera di combustione di ogni motore. Quando il propellente viene acceso, l’idrogeno reagisce in modo esplosivo con l’ossigeno per formare: acqua! Elementare!
2H2 + O2 = 2H2O + Energia
Questa reazione “verde” libera una quantità enorme di energia insieme all’acqua surriscaldata (vapore). La reazione idrogeno-ossigeno genera un calore tremendo, causando l’espansione del vapore acqueo che esce dagli ugelli del motore a velocità di 10.000 miglia all’ora! Tutto questo vapore in rapido movimento crea la spinta che spinge il razzo dalla Terra.
È tutta una questione di impulso
Ma non è solo la reazione ecologica dell’acqua che rende l’LH2 criogenico un fantastico carburante per razzi. È tutta una questione di impulso – impulso specifico. Questa misura dell’efficienza del carburante per razzi descrive la quantità di spinta per quantità di carburante bruciato. Più alto è l’impulso specifico, più “spinta si ottiene per ogni libbra di carburante.
Il propellente LH2-LOX ha il più alto impulso specifico di qualsiasi carburante per razzi comunemente usato, e l’incredibilmente efficiente motore RS-25 ottiene un grande chilometraggio da un carburante già efficiente.
Ma anche se l’LH2 ha il più alto impulso specifico, a causa della sua bassa densità, trasportare abbastanza LH2 per alimentare la reazione necessaria a lasciare la superficie terrestre richiederebbe un serbatoio troppo grande, troppo pesante e con troppo isolamento per proteggere il propellente criogenico per essere pratico.
Per aggirare questo, i progettisti hanno dato una spinta a SLS.
Nella prossima puntata: Come i booster a razzo solido usano l’alluminio – la stessa roba che si usa per coprire gli avanzi – per fornire una spinta sufficiente a far decollare SLS.