A rakétakilövések mindig izgalmas események. Legyen szó bármilyen típusú kémiai rakétáról két dologra biztosan lehet számítani az indításkor; a motorok hangos dübörgő zajára, és az óriási lángoszlopra, amely a rakéta felszállásakor látható. De elgondolkodott-e azon, hogy valójában mi távozik a rakéta hajtóművéből az égés során, és milyen hatással van a környezetünkre, vagy a légkörre?

Röviden összefoglalva, a környezeti hatásokat komolyan kell venni. Az újrafelhasználható rakéták alkalmazása valamit javít a helyzeten azzal, hogy legalább maga a rakéta hardver nem az óceánban végzi, de az üzemanyag elégetése nyomán keletkezett anyagok továbbra is a légkörben kerülnek. 

SpaceX Falcon 9 indítás. A Földön jelentkező gomolygó füst döntően vízgőz, ami az indító padra fecskendezett nagy mennyiségű víz gyors elforralásának eredménye.  Fotó: SpaceX

A COVID-19 járvány ellenére az űrbe indított  rakéták és műholdak száma töretlenül növekszik. A jelenlegi tendenciákat figyelve 2030-ra 60 000 új műhold kerül pályára. Ezek nagy része az olyan vállalatok miatt mint a  SpaceX, a Facebook és az Amazon, akik saját műholdas konstellációkat terveznek. Nagy az igény az ipar iránt, de milyen áron? 

Az újrafelhasználható rakéták kulcsfontosságúak a környezeti hatások csökkentésében, hiszen azok gyártásához szükséges anyagok drágák, különlegesek és megmunkálásuk sok energiát igényelnek. A SpaceX Falcon 9 rakéták kivételével, a legtöbb hordozórakéta még mindig nagyrészt csak 1 indításra alkalmas. Ezek első fokozatai többnyire az óceán fenekén végzik, a felső orbitális fokozatok pedig a Föld légkörében égnek el azok visszatérésekor. Jó látni, hogy az űr szektorban megindult az újrafelhasználható rakéták fejlesztése. Relativity Space, RocketLab, Kína, és az Európai Űrügynökség is fejleszti az első újrafelhasználható rakétáit. 

Atlas rakéta indításakor a fehér füstért az oldalára erősített gyorsító-rakéta fokozatok a felelősek.  Fotó: ULA

 A rakéták leginkább káros hatásai az indításkor felszabaduló égéstermékek. A rakéták közvetlenül a légkörünkön keresztül közlekednek, ami azt jelenti, hogy a melléktermékek közvetlenül a sztratoszféra és a mezoszféra rétegeibe kerülnek.

 Nyilvánvaló, hogy ez nem ideális, de amíg kémiai rakétákat használunk az űrutazáshoz ez aligha fog változni. 

A rakéták égéstermékei széles spektrumon mozognak, de döntően: szén-dioxid, vízgőz, szén-korom, szén-monoxid, nitrogén-oxidok, klór, alumínium-oxid és kénvegyületek.

A klór, az alumínium-oxid és a nitrogén-oxidok elpusztíthatják az ózont, ezért ózonréteget lebontó anyagoknak vagy ODS-nek tekintik őket, és 1996 óta nagyon szigorúan ellenőrzik és korlátozzák őket.

A szén-dioxid, a nitrogén-oxidok, a korom és a vízgőz üvegházhatású gáz, vagy akként működnek (a korom nem gáz). 

A klórt veszélyes légszennyező gáz, vegyületei és a nitrogén-oxidok savas esőket okozhatnak, és nagyon károsak a tengeri élővilágra, a fákra és minden élőre.

Éles kontraszt az Ariane 5 rakéta két szélső szilárd hajtóanyagú booster, és a központi hidrogént égető hajtóműből távozó égéstermékek között. Fotó: ArianeGroup

De vegyük sorra az egyes üzemanyag típusokat, és azok égéstermékeit. Kezdjük is talán a legszennyezőbb rakéta-meghajtással - a szilárd hajtóanyagokkal. Jellemzően szilárd hajtóanyagot a rakéták első szakaszánál használnak ahol a nagy tolóerőre van szükség. Talán a legismertebb szilárd hajtóanyagú rakéta az Űrsiklók oldalán található két gyorsító-rakéta volt, de az európai Arien-5 is egy párat használ az indulásnál. Felszálláskor a rakéta tolóerejének több mint 85% -át adják!

Jól megfigyelhető különbség az Űrsikló és a SRB hajtóművekből távozó láng között. Fotó: NASA

 A szilárd hajtóanyag általában sósavból, pontosabban ammónium-perklorátból, perklórsav és ammónia sójából állnak, amelyek erős oxidálószerek, valamint alumínium vagy magnézium porokból állnak! Ezeket egy kötőanyag, általában hidroxil-végű polibutadién (HTPB) vagy polibutadién-akrilonitril (PBAN) tartja össze, amitől a hajtóanyag gumiszerű keverékké válik.

Ebből fakadóan elsősorban alumínium-oxidot, kormot vagy fekete szenet, szén-dioxidot, hidrogén-kloridot, nitrogén-oxidokat, hidrogént bocsátanak ki.

 Az Űrsikló, és az Arien-5 kapcsán jó kontrasztot ad a központi Hidrogént használó motor(ok). Folyékony Hidrogént használ a Delta IV, és a Japán H-2 hordozórakéta is, de ez hajtja majd az SLS központi fokozatát is.

Az SLS hajtóművek Földi tesztjekor annyi hidrogén ég el rövid idő alatt, hogy a keletkezett felhőből elered az eső.

 A hidrogén talán a legtisztábban égő üzemanyag. Az oxigénnel történő égés során döntöen csak vízgőz keletkezik. 

 A leggyakoribb alkalmazott hajtóanyag az űrrepülésben az RP-1 vagyis kerozin. Folyékony oxigénnel, más néven kerolox-al ez hajtotta, a Saturn V első szakaszát, és ezt használja a SpaceX Falcon 9 az Atlas V, a Szojuz és a Rocket Lab Electron rakétája is. 

SpaceX Falcon SuperHeavy 27 kerozint használó Merlin hajtóműve az indításkor.

Az RP-1 alapvetően csak egy rendkívül finomított kerozin. Égve az RP-1 szén-dioxidot, vízgőzt, nitrogén-oxidot, koromot, szén-monoxidot termel. A távozó gázok érdemben nem különböznek attól amit egy normál belsőégésű autó termel, csak a rakéták esetében  nagy mennyiségben, és egyszerre kerül a légkörbe.

 A hipergolikus üzemanyagok azok, amelyek spontán gyulladnak, ha az üzemanyag és az oxidálószer érintkezésbe kerül egymással. Ez szintén széles körben alkalmazott, hiszen rengeteg előnye van.

Kínai Long March 2F hordozórakéta Hipergolikus űzemanyagot használva, viszonylag tiszta égést eredményez. Fotó:HNAPA

Szobahőmérsékleten is nagyon stabil tüzelőanyagok, ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy feltöltött rakéta, hosszú ideig várakozhat az indító álláson különösebb probléma nélkül. Ezért alkalmazták az interkontinentális ballisztikus rakétákhoz, mint például a Titan rakéták amelyek képesek voltak szó szerint egy gombnyomással elindulni.

 Az orosz Proton rakéta, valamint több kínai Long March verzió is ezt használja. Emellett SpaceX Crew Dragon kapszulája de az Űrsikló Orbitális manőverező motorjainál is hipergolikus üzemanyagokat használtak. Egyszerű, megbízható és stabil.

Orosz Proton rakéta körüli narancsos felhő a Nitrogén gazdag (toxikus) üzemanyag jelenlétére utal.

 A hipergolikus üzemanyagok közé tartozik a hidrazin, vagy annak egyik fajtája, a monometil-hidrazin vagy az aszimmetrikus dimetil-hidrazin, amelyek rendkívül mérgezőek. Az anyag kis mennyiségben belélegezve is könnyen halálhoz vezet!

 Égve azonban nagyon hasonlítanak az RP-1-re, hiszen főleg szén-dioxidot, vízgőzt, koromot, kéntartalmú vegyületeket és valamivel több nitrogén-oxidot termelnek, mint más üzemanyagok. A nitrogén az oxidálószerben található, amely általában nitrogén-tetroxid.

Végül pedig az egyre inkább növekvő népszerűségnek örvendő metánon a sor. Az elkövetkező pár év legújabb rakétái közül három is metánt használ majd: a SpaceX csillaghajója, a Blue Origin New Glenn első szakasza és az ULA Vulcan.

SpaceX Raptor hajtómű teszt. Fotó: SpaceX

 A methalox valószínűleg a legtisztább a hidrogén után. Égése során a metán csak szén-dioxiddá és vízgőzzé válik, egy kis NOx-vel együtt.

  Ez látszólag ellentmond az általános ismeretekkel, hogy a tehenek böfögése vagy fingja is metán, és mennyire rossz üvegházhatású gáz. Ami végeredményben igaz is, de csak azért, mert nem égett.

 A légkörben lévő metán igazi erős üvegházhatású gáz, ezért jobb ha elégetik, és szén-dioxidra és vízgőzre bomlik.

A hidrogénnel vagy metánnal működő rakéta valójában többnyire szén-dioxid semlegessé válhat, ha az üzemanyagok előállítását megújuló energiaforrás biztosítja.

 Sajnos a legtöbb hidrogént fosszilis tüzelőanyagokból állítják elő. 

 De a hidrogént elektrolízissel  előállítható vízből, bár ez nem túl hatékony. 

 Japán H-2 rakéta. Fotó: JAXA

Végeredményben mennyire károsak a rakéták a levegőre és az éghajlatra? 

 Az éves összes rakéta indítás szén-dioxid-kibocsátása, egy légitársaság kibocsátásával összehasonlítva, jelenleg közel sincs ahhoz! Több nagyságrenddel több indításra lenne szükség, hogy más iparágakhoz képest is szignifikáns mértékben számolni kellene velük.

 Nyilvánvaló, hogy a rakéták nem ideálisak, de egyelőre csak ezek állnak rendelkezésünkre. És nagyon hosszú idő telik még el, mire aggódnunk kell a levegőminőségre gyakorolt ​​környezeti hatásuk miatt - legalábbis, minden máshoz képest.

Forrás: Wired.com, NASA.gov, Everydayastronaut.com