Ignol ja ergol

Foto:NASA

On lihtne kirjutada lugusid rakettidest ja neid loonud ärksa vaimuga konstruktoritest. Nii nagu on lihtne kirjutada kosmoselendudest, satelliitidest jms. Aga mis pagan seal sees põleb, on küsimus, millest ei ole enam niisama lihtne kirjutada.

Osalt on see keerulisem selle pärast, et teatavate juhiste andmise eest ajakirja veergudel võib sattuda asjaomaste asutuste huviorbiiti, kus mõni agar ametnik võib ajakirja toimetajat hakata terroristiks pidama. Teisalt ka selle pärast, et keemiatund teatavasti ei olnud paljude jaoks koolis see kõikse põnevam, kuna kogu aeg tuli mingeid moole arvutada, ja vähesed mäletavad, mida kujutab endast elektroni loovutamine keemilise reaktsiooni käigus ning miks see oluline on. Niisiis panevad keemikud nüüd selle artikli klõpsti kinni, sest edasi tuleb hästi populaarsel moel selgitus, mis pagan seal sees siis ikkagi põleb.

Segud ja monokütused
Kui hiinlased raketid leiutasid, ei käinud see mitte nii, et „teeks raketi”, vaid pigem sedapidi, et „oi, see pomm ei plahvatanudki, vaid lendas minema”. Ja kuna keemiat kui teadust veel ei olnud (oli alkeemia, aga see tegeles teiste probleemidega), siis jäi must püssirohi raketikütuseks paljudeks sajanditeks. Must püssirohi on oma koostiselt kena oksüdeerijapõhine raketikütus, mille najal asja toimimist seletada. Koosneb teine siis kaaliumsalpeetrist, mis teeb oksüdeerija vastutusrikast tööd, ja kütuste segust, kus peamist rolli mängivad süsi ja väävel. Kui nüüd sedalaadi segu natuke leekiva süütenööri abil ergutada, siis hakkab toimuma väga huvitav nähtus nimega redoksreaktsioon, mille käigus kaaliumsalpeetris olev hapnik loobub oma viletsavõitu liidust kaaliumiga ning kahmab täiesti alatul kombel endale söe ja väävli elektrone, moodustades viimasega ühendeid, nagu näiteks süsihappegaas, vääveldioksiid ja palju muud ebatervislikku. Kogu selle tralli tulemusena tekib ohtralt energiat, mis on nähtav leegi kujul. Viimane ergutab seda reaktsiooni veelgi. On tähelepanuväärne tõsiasi, et rakettmootoris esineb sealjuures järgmine seaduspära – mida suurema rõhu all kogu süsteem on, seda reipamini reaktsioon kulgeb. Rõhku reguleeritakse jällegi seeläbi, et pannakse paika augu läbimõõt, mille kaudu gaasidel on lubatud rakettmootorist lahkuda. Kui nüüd tekkiv, rõhu all olev gaas nimetatud „mulgu” kaudu nobedasti rakettmootorist lahkub, sekkub Newtoni kolmas seadus, mis vastumõju kaudu panebki rakettmootori liikuma. Sellega koos ka ülejäänud raketi.
Kenakene küll, aga mitmetel põhjustel on musta püssirohu eriimpulss nadivõitu. Mõni ehk mäletab varasematest lugudest, et eriimpulss on midagi auto kütusekulu sarnast, ainult et raketi puhul kehtib vastupidine seos – mida kõrgem eriimpulss, seda parem. Sestap sai keemia kui teadus endale peatselt ülesande leida parem kemikaal vaenlasele raskuste turjale loopimiseks. Selleks sai esialgu nitrotselluloos, hiljem selle ja nitroglütseriini segu ehk kahealuseline kütus. Nitrotselluloos on selles mõttes tore kraam, et see oli üks esimesi kasutuskõlblikke plaste. Muu hulgas kasutati ühte nitreeritud tselluloosi vormi ka filmilintide valmistamiseks. Kilingi-Nõmme linna elanikud teavad väga hästi, mida tähendab püssirohust filmilint. (Huviline otsib internetist fraasi „kilingi nõmme kino põleng”.) Kunagised poisikesed mäletavad nõukaajal põletatud kamme, mis vahvasti tossasid. Nitrotselluloos ja nitroglütseriin (viimane eriti) saavad ilma kõrvalise abita kenasti põlemisega hakkama, kuna neil on kõik põlemiseks vajalik molekuli sees rõõmsasti tallel – kütus (vesinik ja süsinik), oksüdeerija (hapnik) ja rahva rõõmuks veel kolm lämmastikuaatomit, mis kangesti ootavad, et saaks loobuda olemasolevast kolmikliidust ja moodustada tavapärase lämmastiku molekuli kahest aatomist, ja selle käigus arvestatava hulga energiat loovutada. Sestap ongi sedalaadi nitreeritud tahkete olluste näol tegemist põhimõtte poolest monokütustega, ehkki praktikas neid kunagi üksikuna ei kasutata. Sedaviisi sai siinkohal ühtäkki kaks peamist tüüpi raketikütustest kirjeldatud. Aga kuna kosmosesse lennatakse ikka vedelike toel, siis järgmiseks valatavatest, mitte kühveldatavatest kütustest.

Põnevad oksüdeerijad
Kui Tsiolkovski oma kuulsa teadusartikli valmis kribas, oli seal mainitud ka rakette, mis lendavad vedela hapniku ja vedela vesiniku abil. Mis tollal oli üsna novaatorlik mõte, sest vesiniku veeldamine oli verivärske uudis. Esimesed praktikud (Goddard, Gluško, Oberth jt) kasutasid küll oksüdeerijana nii gaasilist kui vedelat hapnikku, aga kütusena tavalist bensiini. Peamiselt põhjusel, et bensiini oli lihtne saada ja see põles täitsa hästi. Õige pea leiti aga, et nimetatud segu ei ole just maailma parim, kuna tundus, et võiks ka midagi tõhusamat olemas olla. Sestap hakkasid entusiastid mitmetes riikides 20ndatel aastatel reipalt erinevaid alternatiivseid raketikütuseid otsima. Õige pea ulatus aga uljaste raketieksperimentaatorite fantaasia ka erinevate oksüdeerijate põnevasse maailma ja Esnault Pelterie lasi endal tetranitrometaaniga näpud otsast. Kolmekümnendatel tuli itaallasel Luigi Croccol pähe pealtnäha täitsa arukas mõte luua vedela monokütusega rakett. Kõneosava mehena rääkis ta riigilt pataka raha välja ning asus katsetama. Paberil kõlab idee ahvatlevana – üks tünn kütuse jaoks, üks toru, oksüdeerija ja kütuse suhe on raudkindlalt paigas –, mis võiks minna valesti. Tuleb välja, et võib küll. Kahjuks kipub praktikas olema nii, et molekulid, mille ühes otsas on kütus, teises oksüdeerija ja seal vahel lõbusasti vinnastatud lämmastik (ja kaks kõvasti ristatud sõrme), iseloomustavad keemilisi aineid, mis on kergesti ärrituvad. Ja kui sellisele närvilisele ainele ühest toru otsast tuld näidata, siis on vaja väga tugevat veenmist, et see leegitsemine püsiks vaid põlemiskambris, mitte ei ruttaks kütusepaaki, kus saaks palju pahandust teha. Kõike seda Crocco teadis, aga maniaki järjekindlusega asus ta asja kallale ja põletas ei midagi vähemat kui nitroglütseriini – eriti tundlike lõhkeainete sümbolit. Täiesti arusaamatute asjaolude kokkulangemise tõttu suutis ta ennast mitte õhku lasta ning jätkas katsetamist nitrometaaniga. Tulemused olid paljulubavad, kuid 1935. aastal sai raha otsa ja nii sest asjast midagi enamat ei tulnudki.
Ka ameeriklane Harry W. Bull üritas monokütustega raketti tööle saada. Mees katsetas kütust, mis oli tema enda leiutis ja mida ta nimetas Ataleeniks. Plahvatuse järel haiglas viibides tema entusiasm rauges.
Umbes samal ajal jõudis Friedrich Sänder aga oksüdeerijani, mida kasutatakse raketinduses siiamaani ning mis sisaldub ka praeguse kirjatüki pealkirjas, ehk siis lämmastikhappeni. Kui nüüd lugeja mõtleb, et milline arukas inimene kallab oma sõiduki paaki kontsentreeritud hapet ja üritab sellega lendu tõusta, siis on tal tuline õigus. Ja ei ole ka. Nimelt on lämmastikhappel selline vahva eripära, et see kipub süütama päris mitmeid aineid ilma lisaärgitamist vajamata. Ja see on rakettmootorites väga oluline. Sest kui kütuse süttimine viibib, jõuab seda põlemiskambrisse liiga palju ning tulemuseks on nähtus, mida kutsutakse raskeks käivitumiseks. Veel on selle kohta väljend RUD sõnadest rapid unscheduled disassembly ehk kiire planeerimata lammutamine. Asjasse pühendamata pealtvaataja nimetaks seda lihtsalt plahvatuseks. Sestap ongi hea, kui kütus ja oksüdeerija kokku puutudes kohe süttivad, mitte ei kogune enne kokku.
BMW raketiinsenerid kasutasid 30ndatel sõna „ignol” lämmastikhappe ja „ergol” erinevate kütuste kohta. Kreeka juurtega inimestena leidsid nad, et kui ergol süttib iseenesest ignoli juuresolekul, siis sedalaadi kombinatsiooni võiks kutsuda „hüpergoliks”, mis ongi tänapäevani kasutusel olev termin kokkupuutel vabatahtlikult süttivate ehk hüpergoolsete kütuste kohta. Lisaks annab hüdrasiini põletamine lämmastikhappega rakettmootoris täitsa kena eriimpulsi, nii et sellega kannab lennata pea igale poole.

Ignol lähivaates
Aga lämmastikhape, nagu nimigi ütleb, ei ole eriti sõbralik substants. Esiteks ei armasta see tünne, mille sees seda hoitakse. Korrodeerumise mõjul tekib tünni põhja paks kiht metallisoolasid, millest mõned (sõltuvalt tünni materjalist) võivad olla kergesti detoneerivad, aga mis peamine – kui see tünn juhtub olema raketi kütusepaak, ummistab see sodi torustiku. Lisaks laguneb lämmastikhape seismisel, mille tagajärjel tekib pruunikaspunast gaasi nimega lämmastiktetroksiid. Viimase asjaolu tõttu nimetatakse raketikütusena kasutatavat lämmastikhapet RFNAks ehk punaselt tossavaks lämmastikhappeks (red fuming nitric acid). Nimetatud gaas on aga sedalaadi mürk, et pärast kopsutäie sellise sisse hingamist mees köhib natuke aega ja teatab, et kõik on korras. Järgmine päev kukub aga jala pealt maha ja on küps. Lisaks eraldub RFNA lagunemisprotsessi käigus ka puhast hapnikku. Sestap oldi RFNA hoidmisel silmitsi punnis tünnidega, mis sisaldasid hapet ja olid tundmatul määral õhemaks korrodeerunud ning mida survestas mürgise lämmastiktetroksiidi ning puhta hapniku segu. Eriti põnevaks läks asi siis, kui RFNA sai kokku titaaniga. 29. detsembril 1953. aastal kontrollis üks tehnik Edwardsi õhujõudude baasis titaanist näidiseid, mis olid RFNAsse uputatud, kui üks või mitu neist plahvatasid ilma nähtava põhjuseta. Mees virutati vastu seina ja pihustati üle kontsentreeritud happe ja lendavate klaasikildudega. Ruum täitus lämmastikdioksiidiga. Tehnik oli õnnega koos, et ta suri ilma teadvusele tulemata. Kõik läksid muidugi väga elevile ning kiiresti tuvastati, et titaani korrodeerumisel laguneb see peenikeseks metallipuruks, mis lämmastikhappega immutatuna on isegi tundlikum kui nitroglütseriin. Aevastamine sedalaadi kraami läheduses ei ole tervislik. Aga see õnnetus oleks võinud olla olemata, kui keegi oleks vaevunud lugema kaks aastat varem ilmunud verivärske laboratooriumi NARTS raportit, kus teatati edusammudest WFNA (valgelt tossav lämmastikhape ehk white fuming nitric acid) stabiliseerimisel fluoriidhappega. See meetod on tänaseni kasutusel nii WFNA kui RFNA stabiliseerimisel ja tänu sellele lendavad mitmed suured raketid.

Raketikütustest võiks rääkida lõputult. Käsitlemata on veel butüülmerkaptaan, mis haiseb nii hullusti, et ka kümme aastat hiljem on katsestendidel ebameeldiv viibida. Ja muidugi kuulus oksüdeerija kloriintrifluoriid, mis põletab praktiliselt kõike, mida tavaliselt kasutatakse tule kustutamiseks. Aga keda hakkas teema tõsisemalt huvitama, see peaks piiluma kahte hästi kirjutatud allikasse. Esiteks unustamatu raamat, mida siinse artikli kirjutamisel sai ohtralt kasutatud, nimega „I G N I T I O N ! An Informal History of Liquid Rocket Propellants”. Teiseks aga ühe keemiku blogi pealkirjaga „Things I Won’t Work With” (Ained, millega mina pistmist ei teeks).

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *