液体酸素

液体酸素はLOXまたはLOXygenと略されることもあり、透明なシアン色の液体の二酸素 O2です_。 1926年にロバート・H・ゴダードが発明した最初の液体燃料ロケットの酸化剤として使用され、^[1]現在まで使用されています。

物理的特性

液体酸素は透明なシアン色をしており、強い常磁性を持ち、強力な馬蹄形磁石の極の間に浮かべることができます。 [ ^2]液体酸素の密度は1.141 kg/L (1.141 g/ml)で、液体の水よりわずかに密度が高く、1 bar (15 psi) での凝固点は54.36 K (-218.79 °C; -361.82 °F)、沸点は90.19 K (-182.96 °C; -297.33 °F) と極低温です。液体酸素の膨張比は1:861 ^[3]^[4]であり、このため、一部の民間航空機や軍用航空機では呼吸用酸素の輸送源として使用されています。

液体酸素は極低温の性質を持つため、触れた物質を極めて脆くする可能性がある。また、液体酸素は非常に強力な酸化剤でもあり、有機物は液体酸素中で急速かつ激しく燃焼する。さらに、石炭ブリケットやカーボンブラックなどの一部の物質は、液体酸素に浸されると、炎、火花、軽い打撃による衝撃などの発火源によって予期せず爆発する可能性がある。アスファルトを含む石油化学製品は、しばしばこの挙動を示す。^[5]

四酸素分子（O _{4 ）は、1924年に}ギルバート・N・ルイスによって初めて予測され、液体酸素がキュリーの法則に反する理由を説明するために提案されました。^[6]現代のコンピューターシミュレーションによると、液体酸素には安定したO ₄分子は存在しませんが、O _{2分子は反平行}スピンでペアになって会合し、一時的なO ₄ユニットを形成する傾向があります。^[7]

液体窒素の沸点は -196 °C (77 K) で、酸素の -183 °C (90 K) よりも低く、液体窒素を入れた容器は空気中の酸素を凝縮する可能性があります。このような容器から窒素のほとんどが蒸発すると、残った液体酸素が有機物と激しく反応するリスクがあります。逆に、液体窒素または液体空気は、空気中に放置することで酸素を豊富にすることができます。空気中の酸素は液体窒素または液体空気に溶解し、窒素は優先的に蒸発します。

液体酸素の常圧沸点における表面張力は13.2 dyn/cmである。^[8]

用途

商業上、液体酸素は工業用ガスとして分類され、工業および医療目的で広く使用されています。液体酸素は、極低温空気分離プラントで分留することにより、空気中に自然に存在する酸素から得られます。

空軍は長い間、液体酸素の戦略的重要性を認識してきた。これは、酸化剤として、また病院や高高度飛行中の航空機での呼吸用のガス酸素供給源としてである。1985年、米空軍はすべての主要な消費基地に独自の酸素生成施設を建設するプログラムを開始した。^[9]^[10]

ロケット推進剤

液体酸素は宇宙船ロケットに用いられる最も一般的な極低温液体酸化剤推進剤であり、通常は液体水素、灯油、メタンと組み合わせて使用される。^[11]^[12]

液体酸素は、最初の液体燃料ロケットに使用されました。第二次世界大戦の V-2ミサイルも、 A-ストフおよびザウエルストフという名前で液体酸素を使用しました。1950年代の冷戦中には、米国のレッドストーンおよびアトラスロケット、およびソ連の R-7セミョルカの両方で液体酸素が使用されました。その後、1960年代と1970年代には、アポロサターンロケットの上昇段とスペースシャトルのメインエンジンで液体酸素が使用されました。

2024年現在、多くの現役ロケットは液体酸素を使用しています。

歴史

1845年までに、マイケル・ファラデーは当時存在が知られていたほとんどのガスを液化することに成功しました。しかし、6種類のガスはあらゆる液化の試みに抵抗し^[13]、当時は「永久ガス」として知られていました。それは酸素、水素、窒素、一酸化炭素、メタン、一酸化窒素でした。
1877年、フランスのルイ・ポール・カイユテとスイスのラウル・ピクテが初めて液体空気の液滴を生成することに成功しました。^[要出典]
1883年、ポーランドの教授ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキは、初めて測定可能な量の液体酸素を生産した。^[14]

参照

参考文献

^ 「世界初の液体燃料ロケット」HISTORY . 2019年3月16日閲覧。
^ ムーア、ジョン・W.、スタニツキ、コンラッド・L.、ジュールス、ピーター・C.（2009年1月21日）。化学の原理：分子科学。Cengage Learning。pp. 297– 。ISBN 978-0-495-39079-4. 2011年4月3日閲覧。
^ 極低温安全性.chemistry.ohio-state.edu.
^特徴。Wayback Machineで 2012-02-18 にアーカイブ。Lindecanada.com。2012-07-22 に取得。
^ 「液体酸素の受領、取り扱い、保管および廃棄」。USAF トレーニングフィルム。
^ Lewis, Gilbert N. ( 1924). 「酸素の磁性と分子O2 _」。アメリカ化学会誌。46 (9): 2027–2032. doi :10.1021/ja01674a008。
^ 小田達樹; Alfredo Pasquarello (2004). 「液体酸素の非共線的磁性: 第一原理分子動力学研究」. Physical Review B . 70 (134402): 1–19. Bibcode :2004PhRvB..70m4402O. doi :10.1103/PhysRevB.70.134402. hdl : 2297/3462 . S2CID 123535786.
^ J. M. Jurns および J. W. Hartwig (2011)。高温での高圧 LOX を使用した液体酸素液体取得装置のバブルポイント試験、p. 4。
^ アーノルド、マーク。1米国陸軍酸素発生システム開発。RTO-MP-HFM-182。dtic.mil
^ Timmerhaus, KD (2013 年 3 月 8 日)。極低温工学の進歩: 1957 年極低温工学会議議事録、コロラド州ボルダー国立標準局、1957 年 8 月 19 ～ 21 日。Springer Science & Business Media。pp. 150～。ISBN 978-1-4684-3105-6。
^ Belluscio, Alejandro G. (2014 年 3 月 7 日)。「SpaceX が Raptor の電力で火星ロケットの推進力を高める」NASAspaceflight.com。2014年3 月 13 日閲覧。
^ Todd, David (2012年11月20日). 「Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars」FlightGlobal Hyperbola。 2012年11月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月22日閲覧。「我々はメタンを使うつもりだ」とマスク氏は、15年以内に火星に宇宙飛行士を送る計画を含む再使用型ロケットの将来計画について述べた際発表した。「メタンのエネルギーコストは最も低く、比推力（Isp）は灯油よりわずかに優れている」とマスク氏は述べ、「水素のような面倒な要素もない」と付け加えた。… スペースXの最初の計画は、将来の上段ロケット「ラプター」用に液体酸素/メタンロケットを建造することだ。… 新しいラプター上段エンジンは、液体酸素/メタンエンジンシリーズの最初のエンジンに過ぎない可能性が高い。
^ 極低温工学。Scienceclarified.com。2012年7月22日閲覧。
^ Kubbinga, Henk (2010)、「WróblewskiとOlszewskiへのトリビュート」(PDF)、Europhysics News、41 (4):21–24、doi :10.1051/epn/2010402、2017年8月11日時点のオリジナルよりアーカイブ

[1] 「世界初の液体燃料ロケット」HISTORY . 2019年3月16日閲覧。

[2] ムーア、ジョン・W.、スタニツキ、コンラッド・L.、ジュールス、ピーター・C.（2009年1月21日）。化学の原理：分子科学。Cengage Learning。pp. 297– 。ISBN 978-0-495-39079-4. 2011年4月3日閲覧。

[3] 極低温安全性.chemistry.ohio-state.edu.

[4] ^特徴。Wayback Machineで 2012-02-18 にアーカイブ。Lindecanada.com。2012-07-22 に取得。

[5] 「液体酸素の受領、取り扱い、保管および廃棄」。USAF トレーニングフィルム。

[6] Lewis, Gilbert N. ( 1924). 「酸素の磁性と分子O2 _」。アメリカ化学会誌。46 (9): 2027–2032. doi :10.1021/ja01674a008。

[7] 小田達樹; Alfredo Pasquarello (2004). 「液体酸素の非共線的磁性: 第一原理分子動力学研究」. Physical Review B . 70 (134402): 1–19. Bibcode :2004PhRvB..70m4402O. doi :10.1103/PhysRevB.70.134402. hdl : 2297/3462 . S2CID 123535786.

[8] J. M. Jurns および J. W. Hartwig (2011)。高温での高圧 LOX を使用した液体酸素液体取得装置のバブルポイント試験、p. 4。

[9] アーノルド、マーク。1米国陸軍酸素発生システム開発。RTO-MP-HFM-182。dtic.mil

[10] Timmerhaus, KD (2013 年 3 月 8 日)。極低温工学の進歩: 1957 年極低温工学会議議事録、コロラド州ボルダー国立標準局、1957 年 8 月 19 ～ 21 日。Springer Science & Business Media。pp. 150～。ISBN 978-1-4684-3105-6。

[nsf20140307-11] Belluscio, Alejandro G. (2014 年 3 月 7 日)。「SpaceX が Raptor の電力で火星ロケットの推進力を高める」NASAspaceflight.com。2014年3 月 13 日閲覧。

[fg20121120-12] Todd, David (2012年11月20日). 「Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars」FlightGlobal Hyperbola。 2012年11月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月22日閲覧。「我々はメタンを使うつもりだ」とマスク氏は、15年以内に火星に宇宙飛行士を送る計画を含む再使用型ロケットの将来計画について述べた際発表した。「メタンのエネルギーコストは最も低く、比推力（Isp）は灯油よりわずかに優れている」とマスク氏は述べ、「水素のような面倒な要素もない」と付け加えた。… スペースXの最初の計画は、将来の上段ロケット「ラプター」用に液体酸素/メタンロケットを建造することだ。… 新しいラプター上段エンジンは、液体酸素/メタンエンジンシリーズの最初のエンジンに過ぎない可能性が高い。

[13] 極低温工学。Scienceclarified.com。2012年7月22日閲覧。

[14] Kubbinga, Henk (2010)、「WróblewskiとOlszewskiへのトリビュート」(PDF)、Europhysics News、41 (4):21–24、doi :10.1051/epn/2010402、2017年8月11日時点のオリジナルよりアーカイブ

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