Når noget skal brænde, skal der være ilt tilstede. Det gælder både, når der brændes benzin af i en bilmotor, når jetmotorer holder et fly i luften og når raketmotorer bruges til at sende en rumraket langt ud i rummet.
Det har fået vores læser Ole Horn til tasterne. Han spørger:
»Hvordan kan jetmotorer i de iltfattige højder få nok ilt til at lave en forbrænding - og hvordan kan raketter fungere i det totalt iltløse rum?«
Det kan videnskaben selvfølgelig svare på, og vi lægger hårdt ud med rumraketterne.
Ilten skal tages med hjemmefra
En raketmotor virker ved, at brændstoffet brændes af, så udstødningsgasserne farer ud gennem raketdyserne med høj fart. Når gasserne bevæger sig den ene vej, bevæger raketten sig den modsatte vej, jævnfør Newtons tredje lov om, at der til enhver aktion hører en lige så stor, men modsat rettet reaktion.
En forbrænding er en kemisk proces, hvor et stof reagerer med ilt under udvikling af varme, og spørgsmålet er så, hvordan en raketmotor kan fungere ude i rummet, hvor der ikke er noget ilt.
Man kan måske tænke sig til svaret ved at spørge sig selv om, hvordan en dykker kan trække vejret under vandet, hvor der ikke er luft.
\ Fakta
De første raketter brugte krudt Kineserne var sandsynligvis de første, der opsendte raketter, og det gjorde de ved hjælp af sortkrudt. Krudt er en blanding af svovl, trækul og salpeter, og i en fyrværkeriraket er svovl og kul brændslet, mens salpeter - kaliumnitrat, KNO3 - leverer den nødvendige ilt til forbrændingen.
Svaret er selvfølgelig, at dykkeren må sørge for at tage luft med sig ned i dybet, og på samme måde må en raket medbringe den ilt, der skal bruges i forbindelse med forbrændingen i motoren.
Ren ilt skal køles ned
Raketbrændstoffet kan for eksempel være petroleum, brint i flydende form eller en form for fast brændstof, og så skal der altså også bruges ilt i en eller anden form - og der skal bruges meget af det.
For at finde ud af, hvordan man pakker ilt sammen, så det kan komme med på en rumraket, ringer vi til Peter Madsen. Han har brugt de seneste mange år på at bygge forskellige former for raketter, og han står bag RaketMadsens Rumlaboratorium, hvor målet er at sende en mand ud i rummet.
»Raketter medbringer ilt, og det kan de gøre på forskellige måder. Det mest oplagte er at bruge ren ilt, men i gasform fylder ilt alt for meget. Så når det skal med en raket, skal det først køles ned til minus 183 grader celsius, for så bliver det flydende og fylder meget mindre,« fortæller Peter Madsen.
Den tyske V2-raket, der blev udviklet af Wernher von Braun under 2. verdenskrig, var den første rigtige rumraket. Den brugte flydende ilt, og det samme gjorde måneraketten Saturn V og de amerikanske rumfærger. Mange moderne raketter bruger også ilt i flydende form, dog ikke nødvendigvis til alle rakettrinene.
Pakkes ind i molekyler
»Problemet med den flydende ilt er, at den skal holdes ekstrem kold, for ellers fordamper den. Ren ilt i flydende form er besværligt at have med at gøre, så man har fundet på måder at gemme ilten i molekyler, der kan holde på den, indtil den skal bruges,« fortsætter Peter Madsen.
»Det kan for eksempel være i dinitrogentetraoxid, der har den kemiske formel N2O4 - altså to kvælstofatomer og fire iltatomer. Det er noget forfærdelig giftigt stads, men det er en væske, der er ret nem at have med at gøre. Det koger nemlig først ved lidt over 21 grader, så det kan altså opbevares ved stuetemperatur - eller en smule under.«
»En tredje mulighed er at bruge ammoniumperklorat, et ammoniaksalt med formlen NH4ClO4. Det er et fast stof,« siger han.
Fly har ikke ilt med
Peter Madsen har selv arbejdet med alle tre af de såkaldte oxidationsmidler, og der findes faktisk flere endnu - eksempelvis saltet kaliumperklorat (KClO4), som Peter Madsen senest har kastet sin kærlighed på.
Under alle omstændigheder skal der ilt med op, og typisk fylder og vejer ilten - hvad enten der er ren eller bundet i molekyler sammen med andre grundstoffer - faktisk mere end selve brændstoffet. En meget stor del af rakettens løftekraft skal bruges til at løfte den nødvendige ilt.
Jetmotorerne på et fly har også brug for ilt til forbrændingen af flybrændstoffet, og til forskel fra raketter medbringer fly ikke deres egen ilt. Flymotorer har altså brug for atmosfærens ilt for at virke, og det betyder også, at der er grænser for, hvor højt op et fly kan komme.
Den tynde luft suges ind i motoren
I en jetmotor suges luften ind og komprimeres, før den sendes ind i brændkammeret, blandes med flybrændstof og antændes. De varme gasser udstødes med høj hastighed, og når udstødningsgasserne sendes bagud, skubbes flyet fremad.
Almindelige passagerfly flyver typisk i en højde på omkring 10 kilometer, og deroppe er luften meget tyndere end ved jordoverfladen. Der er mindre ilt til rådighed for motorerne, men til gengæld skal der så heller ikke så meget kraft til at drive flyet fremad, for luftmodstanden er jo også meget mindre.
Jo større flyvehøjde, desto mindre bliver brændstofforbruget, men der skal stadig kunne suges nok luft (og dermed ilt) ind til forbrændingskammeret, så der er trods alt grænser for hvor højt op, et fly med jetmotorer kan komme.
Vi håber, at det er svar nok til Ole Horn, der får en T-shirt som tak for det gode spørgsmål. Andre gode spørgsmål, som kræver et videnskabeligt svar, kan sendes til sv@videnskab.dk.
