Kriogenik (bahan bakar)

**Bahan bakar kriogenik** adalah bahan bakar yang membutuhkan penyimpanan pada temperatur yang sangat rendah untuk menjaga mereka dalam keadaan cair. Bahan bakar ini digunakan dalam mesin yang beroperasi dalam ruang (Misalnya - Roket kapal, Satelit, dll) karena bahan bakar biasa tidak bisa digunakan di sana, karena tidak adanya lingkungan yang mendukung pembakaran (Di bumi, kita memiliki lingkungan Oksigen, pendukung pembakaran). Bahan bakar kriogenik paling sering berupa cair gas seperti hidrogen cair.

Beberapa mesin roket menggunakan pendinginan regeneratif, praktik beredar bakar kriogenik mereka di sekitar nosel sebelum bahan bakar dipompa ke ruang bakar dan dinyalakan. Pengaturan ini pertama kali diusulkan oleh Eugen Sanger pada 1940-an. Roket Saturn V yang mengirim misi berawak pertama ke bulan menggunakan elemen desain ini, yang masih digunakan sampai sekarang.

Cukup sering, oksigen cair yang keliru disebut "bahan bakar" kriogenik, meskipun sebenarnya merupakan oksidator dan bukan bahan bakar.

Rusia produsen pesawat Tupolev mengembangkan desain versi populer Tu-154 tetapi dengan sistem bahan bakar kriogenik, ditunjuk Tu-155. Menggunakan bahan bakar disebut sebagai gas alam cair (LNG), penerbangan pertama pada tahun 1989.

India mengembangkan teknologi ini pada tahun 2008 untuk digunakan dalam mereka roket GSLV.

## Operasi
Bahan bakar kriogenik dapat dibagi menjadi dua kategori: 
* inert dan 
* mudah terbakar. 
Kedua jenis ini memanfaatkan rasio volume cairan terhadap gas yang besar yang terjadi saat cairan berubah menjadi fase gas. Kelayakan bahan bakar kriogenik dikaitkan dengan apa yang dikenal sebagai laju aliran massa yang tinggi. Dengan regulasi, energi berdensitas tinggi dari bahan bakar kriogenik digunakan untuk menghasilkan daya dorong dalam roket dan konsumsi bahan bakar yang terkendali. Bagian berikut memberikan perincian lebih lanjut.

### Lembam
Jenis bahan bakar ini biasanya menggunakan pengaturan produksi dan aliran gas untuk menggerakkan piston di dalam mesin. Peningkatan tekanan yang besar dikontrol dan diarahkan ke piston mesin. Piston bergerak karena tenaga mekanis yang diubah dari produksi bahan bakar gas yang dipantau. Contoh penting dapat dilihat pada kendaraan udara cair milik Peter Dearman. Beberapa bahan bakar inert yang umum meliputi:
* Nitrogen cair
* Udara cair
* Helium cair
* Neon cair

### Mudah terbakar
Bahan bakar ini memanfaatkan sifat kriogenik cair yang bermanfaat beserta sifat mudah terbakar dari zat tersebut sebagai sumber tenaga. Jenis bahan bakar ini dikenal terutama karena penggunaannya dalam roket . Beberapa bahan bakar mudah terbakar yang umum meliputi:
* Hidrogen cair
* Gas alam cair (LNG)
* Metana cair

## Mesin pembakaran
Bahan bakar kriogenik yang mudah terbakar menawarkan lebih banyak kegunaan daripada kebanyakan bahan bakar inert. Gas alam cair, seperti bahan bakar lainnya, hanya akan terbakar jika dicampur dengan jumlah udara yang tepat. Sedangkan untuk LNG, sebagian besar efisiensi bergantung pada angka metana, yang merupakan padanan gas dari angka oktan. Hal ini ditentukan berdasarkan kandungan metana dari bahan bakar cair dan gas terlarut lainnya, dan bervariasi sebagai hasil dari efisiensi eksperimental. Memaksimalkan efisiensi pada mesin pembakaran akan menjadi hasil dari penentuan rasio bahan bakar terhadap udara yang tepat dan memanfaatkan penambahan hidrokarbon lain untuk pembakaran yang lebih optimal.

## Efisiensi produksi
Proses pencairan gas telah mengalami peningkatan selama beberapa dekade terakhir dengan munculnya mesin yang lebih baik dan pengendalian kehilangan panas sistem. Teknik-teknik yang umum memanfaatkan suhu gas yang mendingin secara drastis saat tekanan gas yang terkendali dilepaskan. Tekanan yang cukup dan kemudian penurunan tekanan berikutnya dapat mencairkan sebagian besar gas, seperti yang dicontohkan oleh efek Joule-Thomson.

### Gas alam cair
Meskipun mencairkan gas alam untuk penyimpanan, pengangkutan, dan penggunaan adalah hemat biaya, sekitar 10 hingga 15 persen gas dikonsumsi selama proses. Proses optimal berisi empat tahap pendinginan propana dan dua tahap pendinginan etilena. Dapat ada penambahan tahap refrigeran tambahan, tetapi biaya peralatan tambahan tidak dapat dibenarkan secara ekonomi. Efisiensi dapat dikaitkan dengan proses kaskade komponen murni yang meminimalkan keseluruhan perbedaan suhu sumber ke tempat pembuangan yang terkait dengan kondensasi refrigeran. Proses yang dioptimalkan menggabungkan pemulihan panas yang dioptimalkan bersama dengan penggunaan refrigeran murni. Semua perancang proses pabrik pencairan yang menggunakan teknologi yang terbukti menghadapi tantangan yang sama: untuk mendinginkan dan mengembunkan campuran dengan refrigeran murni secara efisien. Dalam proses Kaskade yang dioptimalkan, campuran yang akan didinginkan dan dikondensasikan adalah gas umpan. Dalam proses refrigeran campuran propana, dua campuran yang memerlukan pendinginan dan kondensasi adalah gas umpan dan refrigeran campuran. Sumber utama inefisiensi terletak pada rangkaian pertukaran panas selama proses pencairan.

#### Metana murni
Metana (CH4) adalah komponen utama dari gas alam cair (LNG), sedangkan LNG adalah gas alam yang telah dicairkan. Metana merupakan senyawa dengan satu atom karbon dan empat atom hidrogen (CH4) dan komponen terbesar dari gas alam. LNG adalah gas alam yang didinginkan hingga -162&nbsp;°C (-260&nbsp;°F) untuk mengubahnya menjadi cairan, komponen utamanya adalah metana (CH4), yang mencakup sekitar 95% komposisinya. Juga mengandung etana, propana, dan zat lainnya, tidak berwarna dan tidak berbau dan volume gas alam dalam keadaan cair sekitar 600 kali lebih kecil daripada volumenya dalam keadaan gas.

Metana murni adalah gas alam yang tidak berbau dan memiliki rumus kimia CH4. Metana merupakan komponen utama gas alam dan salah satu gas rumah kaca utama. Sifat metana murni Mudah terbakar, Berkontribusi pada efek pemanasan global, 20-30 kali lebih kuat sebagai gas rumah kaca daripada karbondioksida. Metana murni digunakan untuk memasak, pemanas ruangan, dan pembangkit listrik Digunakan dalam reaksi kimia untuk menghasilkan gas penting lainnya, seperti hidrogen, karbon monoksida, dan karbon hitam

Metana cair digunakan sebagai bahan bakar, bahan baku kimia, dan bahan bakar roket. Sebagai bahan bakar alternatif di sektor transportasi untuk mengurangi penggunaan bahan bakar minyak. Sebagai bahan bakar roket, bila dikombinasikan dengan oksigen cair. Mesin-mesin yang menggunakan metana cair dan oksigen cair umumnya dikelompokkan bersama di bawah istilah methalox. Dalam proses industri bahan baku kimia dan dapat diangkut sebagai cairan yang dibekukan (gas alam cair, atau LNG), sebagai bahan baku dalam produksi senyawa kimia seperti amonia dan metanol

Proses pembuatan Metana kemurnian tinggi dari LNG
* Menghilangkan kontaminan
* Menghilangkan air dan hidrokarbon berat (kondensat gas)
* Menghilangkan nitrogen dan helium
* Menghilangkan Merkuri
* Pencairan gas

## Keuntungan dan kerugian
### Manfaat
* Bahan bakar kriogenik lebih ramah lingkungan dibandingkan bensin atau bahan bakar fosil. Selain itu, tingkat emisi gas rumah kaca dapat dikurangi hingga 11–20% dengan menggunakan LNG dibandingkan bensin saat mengangkut barang.
* Selain sifatnya yang ramah lingkungan, bahan bakar fosil juga berpotensi untuk menurunkan biaya transportasi produk dalam negeri secara signifikan karena jumlahnya yang melimpah dibandingkan bahan bakar fosil. 
* Bahan bakar kriogenik memiliki laju aliran massa yang lebih tinggi daripada bahan bakar fosil dan karenanya menghasilkan lebih banyak daya dorong dan tenaga saat dibakar untuk digunakan dalam mesin. Ini berarti bahwa mesin akan berjalan lebih jauh dengan bahan bakar yang lebih sedikit secara keseluruhan daripada mesin gas modern.
* Bahan bakar kriogenik tidak menimbulkan polusi dan oleh karena itu, jika tumpah, tidak menimbulkan risiko bagi lingkungan. Tidak perlu membersihkan limbah berbahaya setelah terjadi tumpahan.

### Potensi kerugian
* Beberapa bahan bakar kriogenik, seperti LNG, mudah terbakar secara alami. Tumpahan bahan bakar yang terbakar dapat mengakibatkan ledakan besar. Hal ini mungkin terjadi jika terjadi kecelakaan mobil dengan mesin LNG.
* Tangki penyimpanan kriogenik harus mampu menahan tekanan tinggi. Tangki propelan bertekanan tinggi memerlukan dinding yang lebih tebal dan paduan yang lebih kuat yang membuat tangki kendaraan lebih berat, sehingga mengurangi kinerja.
* Meskipun cenderung tidak beracun, bahan bakar kriogenik lebih padat daripada udara. Oleh karena itu, bahan bakar ini dapat menyebabkan sesak napas. Jika bocor, cairan akan mendidih menjadi gas dingin yang sangat padat dan jika terhirup, dapat berakibat fatal.

## Mesin roket kriogenik
Mesin roket kriogenik adalah mesin roket yang menggunakan bahan bakar kriogenik dan oksidator ; yaitu, bahan bakar dan oksidatornya adalah gas yang telah dicairkan dan disimpan pada suhu yang sangat rendah. Mesin yang sangat efisien ini pertama kali diterbangkan pada Atlas-Centaur AS dan merupakan salah satu faktor utama keberhasilan NASA dalam mencapai Bulan oleh roket Saturn V.

Mesin roket yang membakar propelan kriogenik masih digunakan hingga saat ini pada tahap atas dan pendorong berkinerja tinggi. Tahap atas jumlahnya banyak. Pendorong termasuk Ariane 6 milik ESA, H-II milik JAXA, GSLV milik ISRO, LVM3, dan Sistem Peluncuran Luar Angkasa milik NASA. Amerika Serikat, Rusia, India, Jepang, Prancis, dan Cina adalah satu-satunya negara yang memiliki mesin roket kriogenik yang beroperasi.
 
## Propelan kriogenik
Mesin roket memerlukan laju aliran massa yang tinggi dari oksidator dan bahan bakar untuk menghasilkan daya dorong yang berguna. Oksigen, oksidator paling sederhana dan paling umum, berada dalam fase gas pada suhu dan tekanan standar, seperti halnya hidrogen, bahan bakar paling sederhana. Meskipun memungkinkan untuk menyimpan propelan sebagai gas bertekanan, ini akan membutuhkan tangki besar dan berat yang akan membuat pencapaian penerbangan antariksa orbital menjadi sulit jika tidak mustahil. Di sisi lain, jika propelan didinginkan dengan cukup, mereka ada dalam fase cair pada kepadatan yang lebih tinggi dan tekanan yang lebih rendah, menyederhanakan pengisian tangki. Suhu kriogenik ini bervariasi tergantung pada propelan, dengan oksigen cair yang ada di bawah −183&nbsp;°C (−297,4&nbsp;°F; 90,1 K) dan hidrogen cair di bawah −253&nbsp;°C (−423,4&nbsp;°F; 20,1 K). Karena satu atau lebih propelan berada dalam fase cair, semua mesin roket kriogenik menurut definisi adalah mesin roket propelan cair.

Berbagai kombinasi bahan bakar-pengoksidasi kriogenik telah dicoba, namun kombinasi bahan bakar hidrogen cair (LH2) dan pengoksidasi oksigen cair (LOX) merupakan salah satu yang paling banyak digunakan. Kedua komponen tersebut mudah dan murah tersedia, dan ketika dibakar memiliki salah satu pelepasan entalpi tertinggi dalam pembakaran, menghasilkan impuls spesifik hingga 450 detik pada kecepatan buang efektif 4,4 kilometer per detik (2,7&nbsp;mi/s; Mach 13).

## Komponen dan siklus pembakaran
Komponen utama dari mesin roket kriogenik adalah ruang pembakaran, inisiator piroteknik, injektor bahan bakar, turbopump bahan bakar dan oksidator, katup kriogenik, regulator, tangki bahan bakar, dan nosel mesin roket. Dalam hal memasok propelan ke ruang pembakaran, mesin roket kriogenik hampir secara eksklusif menggunakan pompa. Mesin yang menggunakan pompa bekerja dalam siklus generator gas, siklus pembakaran bertahap, atau siklus ekspander. Mesin generator gas cenderung digunakan pada mesin pendorong karena efisiensinya yang lebih rendah, mesin pembakaran bertahap dapat mengisi kedua peran tersebut dengan mengorbankan kompleksitas yang lebih besar, dan mesin ekspander secara eksklusif digunakan pada tahap atas karena daya dorongnya yang rendah.

## Perbandingan propelan roket cair di permukaan laut dan dalam ruang hampa
Data dalam tabel di bawah ini berasal dari buku Huzel & Huang "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines", 1992, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, (ISBN 1-56347-013- 6); Berisi hasil yang diterbitkan oleh Rocketdyne berdasarkan perhitungan yang dilakukan dengan asumsi pembakaran adiabatik, ekspansi isentropik uniaxial dan penyesuaian berkelanjutan rasio campuran oksidan/bahan bakar sebagai fungsi ketinggian. Perhitungan ini dilakukan untuk tekanan ruang bakar sebesar 1.000 PSI, yaitu 1.000 "pon per inci persegi", yang dalam satuan internasional (SI) setara dengan 6.894.757 Pa. Kecepatan ejeksi pada tekanan yang lebih rendah dapat diperkirakan dengan menerapkan koefisien dari grafik seberang.

Besaran yang ditampilkan dalam tabel ini adalah sebagai berikut:
* *ratio*, perbandingan pencampuran (laju aliran massa oksidan terhadap laju aliran massa bahan bakar)
* *v <sub>e</sub>*, kecepatan ejeksi gas buang, dinyatakan dalam meter per detik
* *ρ*, kepadatan nyata propelan, dinyatakan dalam gram per sentimeter kubik
* *T <sub>C</sub>*, suhu keseimbangan di ruang bakar, dinyatakan dalam °C
* *C**, kecepatan karakteristik, dinyatakan dalam meter per detik

Tujuan tabel ini adalah untuk menjelaskan evolusi parameter antara lepas landas dan kedatangan di orbit: di sebelah kiri, nilai di permukaan laut; di sebelah kanan, sama dalam kehampaan. Ini adalah nilai nominal yang dihitung untuk sistem ideal, dibulatkan dalam satuan SI (komposisi dinyatakan dalam persentase massa):

## Mesin roket orbital kriogenik

 

## Lihat pula
* Kendaraan peluncur antariksa
* Wahana antariksa
* Mesin roket
* Landasan peluncuran
* Bandar antariksa
* Bahan bakar roket
* Propulsi roket
* Mesin roket
* Hipergolik (propelan) mudah menyala spontan ketika kontak kombinai komponen propelan eperti bahan bakar dan oksidator.
* Oksidator
* Oksigen cair
* Hidrogen cair
* RP-1 Rocket Propellant 1 atau Refined Petroleum 1
* Dinitrogen tetroksida N2O4
* Dimetilhidrazin tak simetris UDMH
* Propelan roket cair
* Gaya dorong

## Referensi