液体酸素

ビーカー内の液体酸素（O ₂）（シアン色の液体）。

液体酸素 ( O2 ₎をビーカーから強力な磁石に注ぐと、酸素は常磁性のため、一時的に磁石の極の間に浮遊します。

液体酸素（LOXまたはLOXygenと略されることもある）は、透明な淡いシアン色の液体酸素（O2 _）である。1926年にロバート・H・ゴダードによって発明された最初の液体燃料ロケット^{[ 1 ]}の酸化剤として使用され、現在もその応用が進められている。

物理的特性

液体酸素は透明な淡いシアン色をしており、強い常磁性を持っているため、強力な馬蹄形磁石の極の間に浮かせることができる。^{[ 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 (14.5 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) と極低温である。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る。

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します。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ります。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します。^{[ 5 ]}

テトラ酸素分子（O4 _{）は1924年に}ギルバート・N・ルイスによって予測され、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O4}分子は存在しませんが、O2_{分子は反平行}スピンでペアになり、一時的なO4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℃（77K）で、酸素の-183℃（90K）よりも低いため、液体窒素を入れた容器は空気中の酸素を凝縮させる可能性があります。このような容器から窒素の大部分が蒸発すると、残った液体酸素が有機物と激しく反応する危険性があります。逆に、液体窒素または液体空気を大気中に放置することで酸素を濃縮することができます。大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（13.2 mN/m）である。^{[ 8 ]}

用途

アメリカ空軍の技術者がアフガニスタンのバグラム飛行場でロッキード・マーティンC-130Jスーパーハーキュリーズ航空機に液体酸素を移送している。

キャンディ国立病院（教育）の液体酸素タンク

商業上、液体酸素は工業用ガスに分類され、産業用途や医療用途で広く使用されています。液体酸素は、空気中に自然に存在する酸素を極低温空気分離プラントで分留することによって得られます。

液体酸素用の断熱蒸発器と貯蔵容器のセットアップ

空軍は長年にわたり、液体酸素の戦略的重要性を認識してきました。これは、酸化剤としてだけでなく、病院や高高度飛行中の航空機における呼吸用の気体酸素供給源としても重要です。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ました。^{[ 9 ] [ 10 ]}

ロケット推進剤

ケープカナベラルにあるSpaceXの液体酸素ボール

液体酸素は宇宙船の推進用途で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、またはメタンと組み合わせて使用​​されます。^{[ 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。第二次世界大戦中の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称で液体酸素を使用していました。1950年代の冷戦期には、アメリカのレッドストーンロケットとアトラスロケット、そしてソ連のR-7セミョルカロケットが液体酸素を使用していました。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主エンジンに液体酸素が使用されました。

2025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。

• 中国の宇宙計画
  • CASC :長征5号、長征6号、長征7号、長征8号、長征12号、長征9号（開発中）、長征10号（開発中）
  • CAS Space : Kinetica 2（開発中）
  • ディープ・ブルー・エアロスペース：ネビュラ1（開発中）
  • 銀河エネルギー：パラス1（開発中）
  • i-Space : Hyperbola-3 (開発中)
  • ランドスペース: Zhuque-2E、Zhuque-3
  • Orienspace : Gravity-2（開発中）
  • 宇宙パイオニア：天龍2号、天龍3号（開発中）
• ヨーロッパ
  • 欧州宇宙機関：アリアン6号
  • Isar Aerospace：Spectrum（開発中）
  • ロケットファクトリー アウクスブルク: RFA One (開発中)
• インド宇宙研究機関：GSLV、LVM3
• JAXA（日本）：H3
• 韓国航空宇宙研究院：ヌリ
• ロスコスモス(ロシア):ソユーズ 2、アンガラ、イルティシュ(開発中)
• アメリカ合衆国
  • ブルーオリジン：ニューシェパード、ニューグレン
  • ファイアフライ・エアロスペース：ファイアフライ・アルファ
  • NASA：スペース・ローンチ・システム
  • ノースロップ・グラマン：アンタレス300（開発中）
  • ロケットラボ：電子、中性子（開発中）
  • SpaceX：ファルコン9、ファルコン・ヘビー、スターシップ
  • ストークスペース：Nova（開発中）
  • ユナイテッド・ローンチ・アライアンス：アトラスV、バルカン

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気体を液化することに成功しました。しかし、6種類の気体はあらゆる液化の試みにも抵抗し^{[ 13 ]}、当時「永久気体」として知られていました。それらは、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。^{[ 14 ]}
• 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成しました。^{[ 15 ]}

参照

• 酸素貯蔵
• 工業用ガス
• 極低温学
• 液体水素
• 液体ヘリウム
• 液体窒素
• 詰め物リスト
• ナッターコンプレッサー
• ロケット燃料
• 固体酸素
• テトラオキシゲン

参考文献

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. 特性.2012年2月18日アーカイブ、Wayback Machine . Lindecanada.com. 2012年7月22日閲覧。
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). 「液体酸素における非共線磁性：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とJ. W. Hartwig (2011).高温高圧LOXを用いた液体酸素回収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, 国立標準局, コロラド州ボルダー, 1957年8月19～21日. Springer Science & Business Media. pp. 150–. ISBN 978-1-4684-3105-6。
11. Belluscio, Alejandro G. (2014年3月7日). 「SpaceX、Raptorの電力で火星ロケットの推進力向上へ」 NASAspaceflight.com . 2014年3月13日閲覧。
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。「メタン燃料を使うつもりだ」とマスク氏は、15年以内に宇宙飛行士を火星に送る計画を含む、再使用型打ち上げロケットの将来計画について発表した。「メタンのエネルギーコストは最も低く、比推力（Isp）はケロシンよりもわずかに優れている」とマスク氏は付け加え、「水素のような面倒な作業もない」と付け加えた。…スペースXの当初の計画は、コードネーム「ラプター」と呼ばれる将来の上段ロケット用の液体酸素/メタンロケットを建造することだ。…新型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. Cryogenics . Scienceclarified.com. 2012年7月22日閲覧。
14. パパネロプロウ、ファイドラ (2015).ルイ・ポール・カイユテ『酸素の液化と「中間領域」の出現：低温研究』 シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング. pp.  9– 22. ISBN 978-3-319-14553-2。
15. Kubbinga, Henk (2010)、「WróblewskiとOlszewskiへのトリビュート」、Europhysics News、41 (4): 21– 24、doi : 10.1051/epn/2010402

さらに読む

• シュミット、エッカート W. (2022)。 "酸素"。酸化剤の百科事典。デ・グルイテル。 pp.  3053–3218。土井：10.1515/9783110750294-025。ISBN 978-3-11-075029-4。