Geschreven door Beverly Perry
Wat hebben water en aluminium met elkaar gemeen?
Als je hebt geraden dat water en aluminium de SLS laten vliegen, geef jezelf dan een gouden ster!
De scheikunde vormt de kern van het laten vliegen van raketten. Raketvoortstuwing volgt de Derde Wet van Newton, die stelt dat er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is. Om een raket van het lanceerplatform te krijgen, creëer je een chemische reactie die gas en deeltjes uit het ene uiteinde van de raket schiet en de raket zal de andere kant op gaan.
Welke chemische reactie zorgt ervoor dat hete gassen met voldoende snelheid uit het achterste uiteinde van een raket schieten om hem los te weken van de zwaartekracht van de aarde? Verbranding.
Of het nu gaat om een persoonlijk voertuig of een gigantische lanceerraket als SLS, de basis is hetzelfde. Bij verbranding (iets verbranden) komt energie vrij, die dingen in beweging zet. Begin met brandstof (iets om te verbranden) en een oxidant (iets om het te laten branden) en nu heb je stuwstof. Geef het een vonk en er komt energie vrij, samen met wat bijproducten.
Om SLS te laten vliegen, vindt de verbranding plaats in twee primaire gebieden: de hoofdmotoren (vier Aerojet Rocketdyne RS-25’s) en de twee vaste rocket boosters (gebouwd door Orbital ATK) die meer dan 75 procent van de stuwkracht leveren bij de lancering. Beide voortstuwingssystemen worden aangedreven door verbranding, maar de brandstoffen en oxidatiemiddelen zijn verschillend.
De RS-25 hoofdmotoren worden “vloeistofmotoren” genoemd omdat de brandstof vloeibare waterstof (LH2) is. Vloeibare zuurstof (LOX) dient als oxidatiemiddel. De boosters daarentegen gebruiken aluminium als brandstof met ammoniumperchloraat als oxidator, gemengd met een bindmiddel dat één homogene vaste stuwstof creëert.
Water maken doet SLS vliegen
Waterstof, de brandstof voor de hoofdmotoren, is het lichtste element en bestaat normaal gesproken als een gas. Gassen – vooral lichtgewicht waterstof – hebben een lage dichtheid, wat betekent dat een klein beetje ervan veel ruimte inneemt. Om genoeg waterstof te hebben voor een grote verbrandingsreactie zou een ongelofelijk grote tank nodig zijn – het tegenovergestelde van wat nodig is voor een aërodynamisch ontworpen lanceervoertuig.
Om dit probleem te omzeilen, moet het waterstofgas in een vloeistof worden veranderd, die een grotere dichtheid heeft dan een gas. Dit betekent dat de waterstof moet worden afgekoeld tot een temperatuur van -423 graden Fahrenheit (-253 graden Celsius).
Zuurstof heeft weliswaar een grotere dichtheid dan waterstof, maar moet ook worden samengeperst tot een vloeistof om in een kleinere, lichtere tank te passen. Om zuurstof vloeibaar te maken, wordt het afgekoeld tot een temperatuur van -297 graden Fahrenheit (-183 graden Celsius). Hoewel dat een milde temperatuur is in vergelijking met LH2, moeten beide drijfgassen bij deze temperatuur op een speciale manier worden behandeld. Bovendien verdampen de cryogene LH2 en LOX snel bij omgevingsdruk en -temperatuur, wat betekent dat de raket pas een paar uur voor de lancering met stuwstof kan worden geladen.
Eenmaal in de tanks en met het aftellen van de lancering bijna op nul, worden de LH2 en LOX in de verbrandingskamer van elke motor gepompt. Als de stuwstof wordt ontstoken, reageert de waterstof explosief met zuurstof tot: water! Elementair!
2H2 + O2 = 2H2O + Energie
Bij deze “groene” reactie komen enorme hoeveelheden energie vrij, samen met oververhit water (stoom). De waterstof-zuurstofreactie genereert enorme hitte, waardoor de waterdamp uitzet en met snelheden van 10.000 mijl per uur uit de sproeiers van de motor komt! Al die snel bewegende stoom creëert de stuwkracht die de raket van de aarde af stuwt.
Het draait allemaal om impuls
Maar het is niet alleen de milieuvriendelijke waterreactie die van cryogeen LH2 een fantastische raketbrandstof maakt. Het draait allemaal om impuls – specifieke impuls. Deze maatstaf voor de efficiëntie van raketbrandstof beschrijft de hoeveelheid stuwkracht per hoeveelheid verbrande brandstof. Hoe hoger de specifieke impuls, hoe meer stuwkracht je krijgt per pond brandstof.
De LH2-LOX stuwstof heeft de hoogste specifieke impuls van alle veelgebruikte raketbrandstoffen, en de ongelooflijk efficiënte RS-25 motor haalt geweldige brandstofkilometers uit een toch al efficiënte brandstof.
Maar ook al heeft LH2 de hoogste specifieke impuls, vanwege zijn lage dichtheid, zou het vervoeren van genoeg LH2 om de reactie te voeden die nodig is om het aardoppervlak te verlaten een te grote tank vereisen, te zwaar en met te veel isolatie om de cryogene stuwstof te beschermen om praktisch te zijn.
Om dat te omzeilen, gaven de ontwerpers SLS een boost.
De volgende keer: Hoe de vaste rocket boosters aluminium gebruiken – hetzelfde spul dat je gebruikt om je kliekjes te bedekken – om genoeg stuwkracht te leveren om SLS van de grond te krijgen.