Oxygène liquide - Définition

Introduction

On désigne par oxygène liquide le dioxygène refroidi au-dessous de son point de condensation, soit 90,188 K (-182,96 °C) sous la pression atmosphérique (101 325 Pa). Sa masse volumique est alors de 1 141 kg·m^-3, et il gèle à 50,5 K (-222,65 °C). On l'obtient par distillation fractionnée à partir de l'air.

Il est souvent désigné par l'acronyme LOX, notamment pour ses applications astronautiques.

Le lanceur européen Ariane 5 ECA fonctionne à l'oxygène liquide avec de l'hydrogène liquide.
EAP P230 : PCPA
   - Impulsion spécifique : 275 s
   - Poussée : 6 470 kN (x 2 propulseurs)
   - Durée : 129 s
1^er étage : LOX / LH2
   - Impulsion spécifique : 431 s
   - Poussée : 1 340 kN
   - Durée : 650 s
2^nd étage : LOX / LH2
   - Impulsion spécifique : 446 s
   - Poussée : 64,7 kN
   - Durée : 960 s

Propriétés comburantes

C'est un liquide cryogénique qui a un coefficient d'expansion de 860:1 à 20 °C, ce qui fait qu'on l'utilise dans certains avions militaires et commerciaux comme source d'oxygène respiratoire. Il rend les matériaux très cassants à son contact en raison même de sa température très basse. C'est un agent oxydant très puissant, au contact duquel les matières organiques brûlent rapidement de façon énergétique, ou peuvent exploser de façon imprévisible lorsqu'elles sont simplement imprégnées d'oxygène liquide : c'est notamment le cas des composés pétrochimiques, y compris l'asphalte.

Cela peut poser problème lorsqu'on manipule à l'air libre de l'azote liquide car, à pression atmosphérique, ce dernier a une température inférieure au point de condensation du dioxygène de l'air, lequel peut donc se condenser à la surface du N₂ liquide, formant un mélange enrichi en O₂ liquide aux propriétés oxydantes inattendues pour ce qu'on pense être au départ de l'azote liquide ; au final, on peut n'avoir plus que de l'oxygène liquide une fois tout l'azote évaporé.

Tétraoxygène

L'existence de molécules de tétraoxygène O₄, composées de quatre atomes d'oxygène, avait été proposée en 1924 par Gilbert Lewis pour expliquer le fait que l'oxygène liquide n'obéit pas à la loi de Curie alors que les molécules de dioxygène O₂ devraient donner un liquide paramagnétique, mais il semble aujourd'hui qu'en réalité les molécules O₂ tendent à s'associer par paires aux spins antiparallèles pour former des structures instables de type (O₂)₂. Des études réalisées en 2001 par spectrométrie de masse à l'Université de Rome « La Sapienza » ont montré que la structure du tétraoxygène O₄ correspondrait à un complexe formé d'une molécule de dioxygène à l'état fondamental avec une molécule O₂ dans un état excité particulier.

Utilisation comme ergol en astronautique

L'oxygène liquide était utilisé dès les années 1940 par les Allemands sous le nom de A-Stoff avec l'éthanol C₂H₅OH (appelé B-Stoff pour cet usage) comme combustible pour former un propergol liquide destiné aux fusées V-2. Il a été développé pendant la guerre froide pour propulser des missiles balistiques intercontinentaux, tels que le PGM-11 Redstone américain (descendant direct du V-2 allemand, utilisant le même propergol LOX / éthanol) et le R-7 Semiorka soviétique (alias SS-6 Sapwood, dont dérive l'actuel lanceur Soyouz-FG) dès 1959, premier vrai missile balistique intercontinental qui utilisait comme combustible un kérosène spécialement raffiné similaire au RP-1 américain.

De nos jours, l'oxygène liquide est utilisé comme comburant avec le RP-1 et l'hydrogène liquide dans un grand nombre de lanceurs tels que les fusées Delta, Atlas, Titan, Soyouz, Ariane 5 et la navette spatiale.