EKOLOGIJA

Dr Vladica Božić

Problemi raketnih emisija

Ipak, rizici po Zemljin omotač

Raketni motori ne koriste atmosferski kiseonik pa se mogu koristiti u vakuumu, za pogon balističkih raketa i svemirskih letelica. U raketnim motorima se najčešće koriste hemijska raketna goriva koja, pri sagorevanju u komori za sagorevanje, stvaraju gasove visoke temperature koji su pod visokim pritiskom (10-200 bara). Ovi gasovi, pri isticanju kroz profilisani mlaznik, dostižu nadzvučnu brzinu i tako stvaraju silu reakcije (potisak) usmerenu suprotno od smera isticanja gasa.

Hemijsko raketno gorivo se sastoji iz čvrstih ili tečnih gorivnih materija i oksidatora. Čvrsto raketno gorivo je mešavina čvrste gorivne materije i čvrstog oksidatora, koja se stavlja u odgovarajuće kućište za smeštaj koje se ujedno koristi i kao komora za sagorevanje.
Tečno raketno gorivo čine tečna gorivna materija i tečni oksidator koji su smešteni u odvojene rezervoare, odakle se pomoću pumpi šalju u ubrizgivače (injektоre) kroz koje se, pod pritiskom, ubrizgavaju u komoru za sagorevanje, gde se mešaju i posle toga sagorevaju. Hibridni raketni motori koriste kombinaciju čvrstih i tečnih ili gasovitih gorivnih materija i oksidatora.

„Hiperlogična“ smeša

Raketa, u toku leta, iza sebe u gasovitim produktima sagorevanja ispušta različite supstance, u zavisnosti od sastava raketnog goriva. Kod tečnih raketnih motora, često se kao gorivna materija koriste tečni vodonik (LH2) ili hidrazin (N2H4), a kao oksidator - tečni kiseonik (LOk) ili azot-tetroksid (N2O4). Kombinacija tečnog vodonika i kiseonika (H2/O2) ima najčistije produkte sagorevanja jer se emituju uglavnom vodena para (H2O) i mala količina različitih azotnih oksida (NOx). Raketni motori koji koriste hidrazin (N2H4) i azot-tetroksid (N2O4) - ova kombinacija se naziva „hipergolična”, jer se ove materije spontano upale pri međusobnom kontaktu - emituju velike količine azotnih oksida, koji u atmosferi mogu dalje reagovati sa vodenom parom i sulfatom pa se formiraju male čestice koje sadrže azotnu kiselinu (HNO3).
Rakete koje kao gorivnu materiju koriste kerozin (avionsko gorivo) u toku leta emituju ugljen-dioksid (CO2) koji je jedan od gasova koji izazivaju efekat staklene bašte i čađ kao čvrsti produkat sagorevanja. Pogonsko gorivo koje se naziva hibridno najčešće predstavlja mešavinu tečnog oksidatora azotnog oksida (N2O) i čvrste gorivne materije (kao što subutadienski polimeri) što, kada sagoreva u okolini koja je siromašna kiseonikom (kao što su gornji slojevi atmosfere), emituje ugljen-dioksid i velike količine čađi i azotnih oksida.
Kod velikih raketa sa čvrstim raketnim gorivom uobičajeno se koristi kombinacija amonijum-perhlorata (NH4ClO4) kao oksidatora sa aluminijumom (Al) kao metalnim gorivom. Oni se mešaju sa polimernim vezivom (koja je istovremeno i gorivna materija) kao što je poli-butadijen sa hidroksilnim završetkom (HTPB) da bi se dobilo čvrsto pogonsko punjenje. Pri sagorevanju ovih materija u raketnom motoru, uz druge produkte, nastaju gasoviti hlor i hlorovodonik (HCl), i čestice aluminijum-oksida (Al2O3). Hlorovodonik se lako pretvara u hlorovodoničnu kiselinu, koja je štetna za okolinu.

Svaki „šatl“ - 75 t produkata sagorevanja!

Produkti sagorevanja iz mlaznika rakete mogu biti materije koje su potencijalno opasne po životnu sredinu, jer izazivajupovećano zagađenje zemljine površine i atmosfere, i oštećenje ozonskog omotača. Oni se najviše emituju pri radu velikih motora koji se koriste za lansiranje svemirskih letelica. Prema procenama agencije NASA, svaki let „spejs-šatla“ je emitovao oko 75 tona hlora u ozonski omotač, koji počinje oko desetak kilometara iznad tla!
Ozon je oblik kiseonika prisutan u Zemljinoj gornjoj atmosferi (stratosferi) koji štiti ceo život na Zemlji od štetnog Sunčevog zračenja. Problem raketnih emisija, koje ispuštaju gasove i čestice direktno u srednju i gornju atmosferu je uključen i u „Naučnu procenu oštećenja ozona za 2018. godinu”, urađenu za Ujedinjene nacije, koja se bavila supstancama koje izazivaju oštećenje ozonskog omotača. Glavni produkti sagorevanja u tečnim raketnim motorima koji mogu uticati na zagađenje životne sredine su: vodena para, ugljen-dioksid i čađ (čine preko 80% materija koje se emituju iz mlaznika).

Ozonski omotač i njegov uticaj na Sunčevo zračenje

Količina vodene pare koja se emituje u toku leta raketa u odnosu na ukupnu količinu vodene pare koja je prirodno prisutna u atmosferi je veoma mala. Time je i uticaj vodene pare koji bi se mogao direktno pripisati raketama na životnu sredinu premali da bi napravio bilo kakav značajan poremećaj, osim visoko u mezosferi. Ako je spoljna temperatura dovoljno niska kao što je u mezosferi, vodena para može stvoriti tanke oblake od malih kristala leda koje je veoma lako uočiti sa Zemlje jer je i mezosfera male debljine.

Ovi kristali leda će na kraju ispariti dok se vodena para razređuju i meša sa okolnim vazduhom. Pošto je količina infra-crvenog zračenja koju apsorbuju ledeni kristala veća od količine sunčeve svetlosti koju reflektuju ovi oblaci koji zagrevaju atmosferu, prema dosadašnjim studijama ovo zagrevanje je malo jer su oblaci tanki pa imaju i veoma mali uticaj na klimu.

„Životni vek“ čađi

Za ugljen-dioksid (CO2) se često kaže da je „najvažniji gas sa efektom staklene bašte koji je proizveo čovek”. Ali, same rakete pri letu ne doprinose mnogo povećanju njegove ukupne količine, koja je već prilično velika zbog prirodnih i drugih veštačkih emisija, pa njegova emisija neće doprineti promeni klime koja se može direktno pripisati raketama čak i kada se one češće lansiraju. Važno je napomenuti da će CO2 koji emituju rakete imati isti uticaj na temperaturu Zemlje kao i CO2 emitovan na površini iz drugih izvora.
Čađ (ugljenik) je produkt sagorevanja koji se javlja u toku rada raketnih motora, ali i drugih motora (kao što su motori sa unutrašnjim sagorevanjem, turbine u elektranama na fosilna goriva, mlazni motori...). Ova materija je, zbog crne boje, veoma efikasna u apsorpciji vidljivog svetla, pri čemu zagreva atmosferu kada je ona osunčana. Pri sagorevanju na Zemljinoj površini ili u troposferi, gde ima dovoljno kiseonika, vrlo malo čađi (ugljenika) se proizvodi sagorevanjem, pa će njegov uticaj na klimatske promene biti manji od uticaja CO2. U stratosferi, gde ima manje kiseonika zbog niskog pritiska na velikim visinama, čađ iz raketa može imati veliki udeo u produktima sagorevanja (5% ili više u težini), pa će i apsorpcija Sunčevog zračenja zbog prisustva čađi biti dominantnija od infra-crvene apsorpcije CO2 emitovanog iz istog izvora.Dodatno, životni vek čađi u gornjem sloju atmosfere, može biti 5 i više godina, te se čestice čađi vremenom mogu akumulirati i stvoriti oblak koji će apsorbovati energiju Sunca i zagrevati okolnu stratosferu.
Ova čađ ima neproporcionalan uticaj na Zemljinu klimu u odnosu na istu količinu čađi emitovanu u nižem sloju atmosfere, gde će procesi poput kiše i taloženja ukloniti čestice za manje od mesec dana. Procenjuje se da je čađ koju emituje raketa više od milion puta efikasnija u zagrevanju atmosfere od ekvivalentne količine CO2 po težini.

Odgovorni za „rupu“ iznad Antarktika

Još jedan produkt sagorevanja koji se emituje u većoj količini su čestice aluminijum-oksida, ali se zbog njihovih optičkih osobina veoma malo zna o njihovom uticaju na životnu sredinu. Kao i čestice čađi, u višim slojevima atmosfere one mogu da formiraju oblake bele boje koji će reflektovati sunčevu svetlost u svemir. Sa druge strane su i moćan infra-crveni apsorber tako da će te čestice zagrejati troposferu kao i čestice čađi, čime će promeniti cirkulaciju i imati negativan efekat na klimu koji je teško predvideti.

Uticaj čestica čađi i aluminijum oksida u stratosferi na Sunčevo zračenje

Sunčeva svetlost se apsorbuje u oblaku nastalom iz crne čađi ili reflektuje od belog aluminijum-oksida emitovanog iz raketa, čime se hladi površina Zemlje, ali se pri tome deponuje i zato zagrevaju gornja stratosfera i ozonski omotač, što verovatno vodi do gubitka ozona. Pored toga, azot-monoksid (NO) koji se emituje iz raketnih motora može direktno da reaguje sa ozonom, dok emitovana hlorovodonična kiselina na dnevnoj svetlosti proizvodi visoko reaktivni oblik hlora koji se zove hlor-monoksid (ClO) koji takođe reaguje sa ozonom. Ovo jedinjenje (ClO) je odgovorno za ozonsku rupu iznad Antarktika.
U uskom delu oko mlaza raketa koje za pogon koriste čvrsta goriva sa amonijum-perhloratom, ozon je zbog ovog jedinjenja potpuno uništen. Kako se produkti sagorevanja iz raketnih motora vremenom mešaju sa okolnim vazduhom, uticaj oksida azota postaje slabiji, jer se razblažuje sa delom atmosfere gde već postoji prirodni azot-monoksid. Međutim, hlorovodonična kiselina i vodena para su prisutni u emitovanim produktima sagorevanja u mnogo većoj koncentraciji nego u okolnom vazduhu, tako da menjaju normalan hemijski sastav okoline.
I čestice aluminijum-oksida, koje takođe emituju rakete, izazivaju reakciju koja uništava ozon, što pojačava uništavanje ozona u delu atmosfere oko gasa emitovanog iz mlaznika raketnog motora. Posle određenog vremena, koje može trajati i nekoliko nedelja, usled mešanja izduvnih gasova sa okolnim vazduhom bogatim ozonom, ozonska rupa koju je raketa proizvela biće ponovo napunjena.

Oblaci nastali posle lansiranja „spejs-šatla“

Može se reći da emisija iz jedne rakete ima veoma mali uticaj na atmosferu zbog toga što se ozonska rupa, koju je raketa proizvela, ponovo popuni mešanjem sa okolnim vazduhom, bogatim ozonom. Ali tokom vremena, ukupne emisije iz svih raketa menjaju prirodnu količinu supstanci u stratosferi, što izaziva i određene promene u kom omotaču.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"