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Flüssigsauerstoff
Flüssigsauerstoff (in Industrie, Luft-, Raum- und Schifffahrt auch LOX oder LO 2; für englisch Liquid Oxygen bzw. O 2 für die Summenformel von molekularem …
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Grunddefinition und Bedeutung
Flüssigsauerstoff ist die flüssige Form des Elements Sauerstoff. In Industrie, Luft-, Raum- und Schifffahrt wird er auch LOX oder LO₂ genannt; LOX steht für „Liquid Oxygen“, LO₂ bezieht sich auf die Summenformel O₂ des molekularen Sauerstoffs.
Flüssigsauerstoff wird in großen Mengen für industrielle und medizinische Zwecke eingesetzt. Außerdem dient er als Quelle für Atemsauerstoff in manchen kommerziellen und militärischen Luftfahrzeugen. Eine besonders wichtige Verwendung ist sein Einsatz als Oxidationsmittel in Flüssigkeitsraketentriebwerken.
Herstellung und wichtige Verwendungen
Die Herstellung erfolgt aus dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Nach dem Linde-Verfahren wird Luft verflüssigt und anschließend durch fraktionierte Destillation in ihre Bestandteile getrennt. Flüssigsauerstoff ist ein Industrieprodukt und kommerziell erhältlich.
Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff entstehen dabei als Koppelprodukte voneinander und von den Edelgasen Argon, Neon, Krypton und Xenon. Diese Stoffe können nur durch fraktionierte Destillation von Luft gewonnen werden. Die Edelgase werden jedoch nicht in jeder Anlage zur Luftverflüssigung hergestellt, weil dafür zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind.
Als Oxidationsmittel ist Flüssigsauerstoff ein üblicher Bestandteil von Flüssigkeitsraketentriebwerken. Er wird normalerweise zusammen mit Kerosin oder Flüssigwasserstoff verwendet, die dabei oxidiert werden. Flüssigsauerstoff ist in dieser Funktion günstig und ungiftig und erzeugt einen starken spezifischen Impuls.
Er wurde bereits in frühen Raketen wie der V2 eingesetzt, damals unter dem Namen „A-Stoff“. Später kam er unter anderem in den Triebwerken der Redstone, der R-7 Semyorka, der Atlas und in den Haupttriebwerken der Space Shuttles zum Einsatz. Auch neuere Raketen verwenden ihn als Oxygenator, zum Beispiel die Ariane 5 und die Falcon 9.
Früher wurde Flüssigsauerstoff außerdem in Interkontinentalraketen und zur Herstellung von Sprengstoffen unter der Bezeichnung „Oxyliquit“ verwendet. Moderne Interkontinentalraketen verzichten auf Flüssigsauerstoff, weil seine kryogenen Eigenschaften und die notwendige regelmäßige Nachfüllung des verdunstenden Stoffes die Einsatzbereitschaft beeinträchtigen.
Physikalische Eigenschaften
Flüssiger Sauerstoff ist tiefkalt, schwach blau gefärbt und stark paramagnetisch. Seine Dichte beträgt bei Siedetemperatur und Normaldruck 1,141 g/cm³. Der Gefrierpunkt liegt bei 50,5 K beziehungsweise −222,65 °C. Der Siedepunkt beträgt bei Normaldruck 90,188 K beziehungsweise −182,96 °C.
Beim Verdunsten und Erwärmen auf Raumtemperatur dehnt sich Flüssigsauerstoff um den Faktor 860 aus. Das Tetrasauerstoff-Molekül O₄ wurde 1924 von Gilbert N. Lewis vorhergesagt. Lewis schlug es als Erklärung dafür vor, dass Flüssigsauerstoff nicht dem Curieschen Gesetz folgt. Computersimulationen weisen jedoch darauf hin, dass im Flüssigsauerstoff keine stabilen O₄-Moleküle vorliegen. Stattdessen können sich O₂-Moleküle mit antiparallelen Spins vorübergehend zu Paaren zusammenlagern und dadurch O₄-ähnliche Einheiten bilden.
Sicherheitsrisiken
Flüssigsauerstoff ist kryogen und kann Materialien bei Kontakt stark verspröden. Außerdem ist er ein starkes Oxidationsmittel und wirkt stärker oxidierend als gasförmiger Sauerstoff. Als Grund wird angegeben, dass sich in der flüssigen Phase angeregter Singulett-Sauerstoff vermehrt anreichert.
Reduktionsmittel, besonders organische Materialien, können in Flüssigsauerstoff schnell und stark brennen. Beim Kontakt mit ihm können sie sogar unerwartet detonieren. Dazu gehören Öle, Fette und Asphalt, aber auch anorganische Stoffe wie Phosphor oder Magnesium. Anlagen zur Verwendung oder Lagerung von Flüssigsauerstoff müssen deshalb vollkommen fett- und ölfrei sein.
Eine zusätzliche Gefahr entsteht bei tiefkalten Stickstoffsystemen: Stickstoff siedet bei −196 °C beziehungsweise 77 K und damit bei einer niedrigeren Temperatur als Sauerstoff, dessen Siedepunkt −183 °C beziehungsweise 90 K beträgt. Sauerstoff aus der Luft kann deshalb auf Flüssigstickstoff-Leitungen kondensieren und dort mit organischem Material spontan reagieren. Flüssigstickstoff und Flüssigluft reichern sich bei offener Lagerung mit Flüssigsauerstoff an, weil Luftsauerstoff an ihrer Oberfläche kondensiert.
Historische Entwicklung
Louis Paul Cailletet und Raoul Pictet beobachteten Tröpfchen flüssiger Luft. Damit wiesen sie nach, dass Luft verflüssigt werden kann; die erhaltenen Tröpfchen verdampften jedoch spontan.
Erst Karol Olszewski und Zygmunt Florenty Wróblewski gelang 1883 an der Jagiellonen-Universität als Ersten die stabile Verflüssigung von Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff.
