الأكسجين السائل

الأكسجين السائل ، الذي يُختصر أحيانًا إلى LOX أو LOXygen ، هو شكل سائل شفاف ذو لون أزرق سماوي باهت من الأكسجين الجزيئي O2 _. وقد استُخدم كمؤكسد في أول صاروخ يعمل بالوقود السائل اخترعه روبرت هـ. جودارد عام 1926 ، ^{[ 1 ]} وهو تطبيق لا يزال مستمرًا.

يتميز الأكسجين السائل بلونه الأزرق الفاتح الصافي، وهو بارامغناطيسي قوي ، إذ يمكن تعليقه بين قطبي مغناطيس قوي على شكل حدوة حصان . ^{[ 2 ]} تبلغ كثافة الأكسجين السائل 1.141 كجم/لتر (1.141 جم/مل) ، وهي أعلى قليلاً من كثافة الماء السائل، وهو مبرد بدرجة حرارة منخفضة للغاية، حيث تبلغ درجة تجمده 54.36 كلفن (-218.79 درجة مئوية؛ -361.82 درجة فهرنهايت) ودرجة غليانه 90.19 كلفن (-182.96 درجة مئوية؛ -297.33 درجة فهرنهايت) عند ضغط 1 بار (14.5 رطل/بوصة مربعة) . تبلغ نسبة تمدد الأكسجين السائل 1:861 ^{[ 3 ] [ 4 ]} ، ولذلك يُستخدم في بعض الطائرات التجارية والعسكرية كمصدر متنقل للأكسجين للتنفس.          

يُعدّ الأكسجين السائل عامل مؤكسد قوي للغاية، إذ تحترق المواد العضوية فيه بسرعة وبقوة. علاوة على ذلك، عند غمر بعض المواد، مثل قوالب الفحم المضغوط والكربون الأسود ، في الأكسجين السائل، قد تنفجر بشكل غير متوقع عند تعرضها لمصادر اشتعال كاللهب أو الشرر أو حتى الصدمات الخفيفة. وتُظهر المواد البتروكيماوية ، بما فيها الأسفلت ، هذا السلوك في كثير من الأحيان. ^{[ 5 ]}

تنبأ جيلبرت ن. لويس بوجود جزيء الأكسجين الرباعي (O₄ ₎ عام 1924 ، مقترحًا إياه لتفسير سبب مخالفة الأكسجين السائل لقانون كوري . ^{[ 6 ]} تشير المحاكاة الحاسوبية الحديثة إلى أنه على الرغم من عدم وجود جزيئات O₄ مستقرة _في الأكسجين السائل، فإن جزيئات O₂ _تميل إلى التجمع في أزواج ذات دوران متوازي متعاكس، مكونةً وحدات _O₄ عابرة . ^{[ 7 ]}

يتميز النيتروجين السائل بانخفاض درجة غليانه، حيث تبلغ -196  درجة مئوية (77  كلفن)، مقارنةً بدرجة غليان الأكسجين التي تبلغ -183  درجة مئوية (90  كلفن). ويمكن للأوعية التي تحتوي على النيتروجين السائل أن تكثف الأكسجين من الهواء. وعندما يتبخر معظم النيتروجين من هذه الأوعية، يزداد خطر تفاعل الأكسجين السائل المتبقي بعنف مع المواد العضوية. في المقابل، يمكن إثراء النيتروجين السائل أو الهواء السائل بالأكسجين عن طريق تركه في الهواء الطلق؛ حيث يذوب الأكسجين الجوي فيه، بينما يتبخر النيتروجين بشكل أسرع.

يبلغ التوتر السطحي للأكسجين السائل عند نقطة غليانه تحت الضغط العادي 13.2 داين/سم (13.2 ملي نيوتن/م) . ^{[ 8 ]}  

في المجال التجاري، يُصنف الأكسجين السائل كغاز صناعي ، ويُستخدم على نطاق واسع للأغراض الصناعية والطبية. ويُستخلص الأكسجين السائل من الأكسجين الموجود طبيعياً في الهواء عن طريق التقطير التجزيئي في محطة فصل الهواء المبردة .

لطالما أدركت القوات الجوية الأهمية الاستراتيجية للأكسجين السائل، سواءً كمؤكسد أو كمصدر للأكسجين الغازي للتنفس في المستشفيات ورحلات الطائرات على ارتفاعات عالية. في عام 1985، بدأت القوات الجوية الأمريكية برنامجًا لإنشاء محطات توليد الأكسجين الخاصة بها في جميع قواعد الاستهلاك الرئيسية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

في وقود الصواريخ

يُعد الأكسجين السائل أكثر أنواع الوقود المؤكسد السائل المبرد شيوعًا في تطبيقات دفع المركبات الفضائية ، وعادةً ما يُستخدم مع الهيدروجين السائل أو الكيروسين أو الميثان . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

استُخدم الأكسجين السائل في أول صاروخ يعمل بالوقود السائل . كما استُخدم الأكسجين السائل في صاروخ V-2 خلال الحرب العالمية الثانية تحت اسمي A-Stoff و Sauerstoff . وفي خمسينيات القرن العشرين، خلال الحرب الباردة ، استُخدم الأكسجين السائل في كل من صاروخي ريدستون وأطلس الأمريكيين ، وصاروخ R-7 سيميوركا السوفيتي . وفي وقت لاحق، خلال ستينيات وسبعينيات القرن العشرين، استُخدم الأكسجين السائل في مراحل الصعود لصواريخ أبولو ساتورن ، وفي المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء .

اعتبارًا من عام 2026، تستخدم العديد من الصواريخ النشطة الأكسجين السائل:

• برنامج الفضاء الصيني
  • CASC : المسيرة الطويلة (عائلة الصواريخ)
    • العمليات: لونغ مارش -5 ، -5ب ، -6 ، -6أ ، -6ج ، -7 ، -7أ ، -8 ، -8أ ، -10ب ، -12، -12 أ ، -12ب
    • قيد التطوير : -9 ، -10 ، -10أ
  • CAS Space : Kinetica 2
  • ديب بلو إيروسبيس : نيبولا-1 (قيد التطوير)
  • الطاقة المجرة : بالاس-1 (قيد التطوير)
  • آي-سبيس : هايبربولا-3 (قيد التطوير)
  • المساحة الأرضية : Zhuque-2E ، Zhuque-3
  • أورين سبيس : جرافيتي-2 (قيد التطوير)
  • حقبة الفضاء : يوانشينغتشي-1 (قيد التطوير)
  • رائد الفضاء : تيانلونغ-2 ، تيانلونغ-3
• أوروبا
  • وكالة الفضاء الأوروبية : أريان 6
  • شركة إيسار للفضاء والطيران : سبكتروم (قيد التطوير)
  • مساحة PLD : ميورا 5 (قيد التطوير)
  • مصنع الصواريخ أوغسبورغ : آر إف إيه وان (قيد التطوير)
• منظمة أبحاث الفضاء الهندية : GSLV ، LVM3
• جاكسا (اليابان): H3
• معهد كوريا لأبحاث الفضاء الجوي : نوري
• روسكوزموس (روسيا): سويوز-2 ، أنجارا ، سويوز-5
• الولايات المتحدة
  • بلو أوريجين : نيو جلين
  • فايرفلاي إيروسبيس : فايرفلاي ألفا
  • ناسا : نظام إطلاق الفضاء
  • نورثروب غرومان : أنتاريس 300 (قيد التطوير)
  • فضاء النسبية : تيران آر (قيد التطوير)
  • مختبر الصواريخ : الإلكترون ، النيوترون (قيد التطوير)
  • سبيس إكس : فالكون 9 ، فالكون هيفي ، ستار شيب
  • ستوك سبيس : نوفا (قيد التطوير)
  • تحالف الإطلاق الموحد : أطلس 5 ، فولكان

• بحلول عام 1845، تمكن مايكل فاراداي من تسييل معظم الغازات المعروفة آنذاك. إلا أن ستة غازات قاومت كل محاولات التسييل ^{[ 13 ]} ، وكانت تُعرف في ذلك الوقت باسم " الغازات الدائمة ". وهي: الأكسجين، والهيدروجين ، والنيتروجين ، وأول أكسيد الكربون ، والميثان ، وأكسيد النيتريك .
• في عام 1877، نجح لويس بول كاييه في فرنسا وراؤول بيكتيه في سويسرا في إنتاج أولى قطرات الهواء السائل. ^{[ 14 ]}
• في عام 1883، أنتج الأستاذان البولنديان زيغمونت فروبليفسكي وكارول أولسزيفسكي أول كمية قابلة للقياس من الأكسجين السائل. ^{[ 15 ]}

• شميدت، إيكارت دبليو (2022). "الأكسجين". موسوعة المؤكسدات . دي جرويتر. ص 3053 – 3218. دوى : 10.1515 / 9783110750294-025 . رقم ISBN  978-3-11-075029-4.