Jégcsapok rakétahajtóművön? Hát ez meg hogy lehet?

Azt mindenki tudja, hogy a rakétahajtás jókora tűzzel, forrósággal jár, attól függően, hogy mekkora rakétáról, hány hajtóműről van szó. Épp ezért eshetünk gondolkodóba az alábbi kép, az amerikai Aerojet Rocketdyne vállalat RL10B-2 rakétahajtóművének egyik tesztjéről készült felvétel láttán.

Nézzék csak meg közelebbről:

Igen, azok ott jégcsapok. Jól fejlett jégcsapok lógnak a hajtómű harangjának szélén, ahol gyönyörű, a kék legszebb árnyalataiban játszó, több mint kétezer Celsius-fokos láng áramlik ki. Joggal vetődik fel a kérdés: miképp lehetséges ez?

A magyarázat a hajtómű működési elvében rejlik. Az RL10B-2 egy úgynevezett CECE, azaz Common Extensible Cryogenic Engine, ami magyarra valahogy úgy fordítható, hogy Egyszerűen Variálható Kriogén Hajtómű. Ennek fejlesztését a kétezres évek közepén rendelte meg a Rocketdyne-tól a NASA, az azóta törölt Constellation-program keretein belül. A cél az volt, hogy 100 százalékig megbízható, rugalmasan változtatható tolóerejű hajtóművet fejlesszenek ki, amit egy leendő Hold-expedíció során több célra is hatékonyan lehet alkalmazni. A Constellation-programot időközben törölték, de a CECE-fejlesztés nem állt le, sőt új lendületet kapott most, hogy a NASA a Marsot célozza középtávú űrkutatási terveiben: a leendő gigantikus SLS rakéta második fokozatát hajtja majd, és jelenleg is folyik a hajtómű tesztelése.

A bámulatos jégcsapok létére a hajtómű kriogén volta nyújt magyarázatot. A rakétatechnológiában használatos hajtóművek egyik csoportja ugyanis szuperhideg, cseppfolyós üzemanyaggal működik, jelen esetben a CECE cseppfolyós hidrogénnel és oxigénnel. A nagyon alacsony hőmérsékletű anyagok fizikája (a kriogenika) lehetővé teszi, hogy a normális hőmérsékleten gáz halmazállapotú hajtóanyagból lehűtve és cseppfolyósítva ugyanazon térfogatban sokkal-sokkal többet lehessen tárolni, jóval kisebb nyomáson. Kissé leegyszerűsítve azt lehet mondani, hogy rendkívül alacsony hőmérsékletre lehűtve azonos térfogatú üzemanyag jóval nagyobb tolóerőt fejthet ki, avagy azonos tolóerőt kisebb térfogatú üzemanyag felhasználásával is el lehet érni. És mivel mindezt kisebb nyomáson lehet megvalósítani, nincs szükség nehéz, vastag falú üzemanyagtartályokra. Ezt az előnyt pedig remekül ki lehet használni az űrkutatásban, ahol minden gramm megtakarítható hasznos tömeg rengeteget számít.

Adott tehát egy változtatható, 6,2 tonna tolóerő kifejtésére képes hajtómű, ami cseppfolyós oxigén és hidrogén összekeverésével és elégetésével 2760 Celsius-fokos lángot okád a fúvókáján. Az oxigén –183, a hidrogén –252 Celsius fokra van lehűtve, ezeket keveri össze és gyújtja be a hajtómű, aminek fúvókáján a hidrogén és oxigén nagy energiájú kémiai kölcsönhatásának köszönhetően már forró vízgőz áramlik ki nagy sebességgel. (A reakció képlete és a durranógázas kísérlet remélhetőleg mindenkinek ismerős az általános iskolai kémia órákról: H₂+1/2 O₂=H₂O)

A keletkező gőz hiába tűzforró, a szuperhideg fúvókával* érintkezve a vízpára azonnal kicsapódik, jóval fagypont alá csökken hőmérséklete, ha csak pillanatokra is, megfagy. A jégcsapképződést pedig elősegíti, ha a hajtóművet alacsony tolóerőn üzemeltetik: a fenti képen körülbelül 8-10 százalékon ketyeg a tolóerő, ami mondjuk egy Holdra szálláshoz bőven elegendő, a képződő jégcsapokat viszont nem semmisíti meg azonnal a relatíve lassabban kiáramló gőz. Az alábbi videón is jól megfigyelhető a bámulatos jelenség:

*A cikk megjelenése után ketten is jelezték, hogy itt kimaradt egy nem elhanyagolható részlet, tudniillik miért is szuper hideg a hajtómű fúvókája. És igazuk van, nem esett szó arról, hogy miért nem olvad meg maga a fém a nagy hőtől: a fúvókán csíkokként megjelenő mintázat valójában egy csővezeték, amiben a szuperhideg cseppfolyós hidrogént áramoltatják, hogy hűtse a harangot. Így marad maga a fúvóka is jóval nulla Celsius fok alatti hőmérsékletű.