¿Por qué el oxígeno se almacenaría como un fluido supercrítico?

El mismo sistema se usó en Shuttle. Permítanme discutir eso, la filosofía de diseño también se aplica a Apollo (sin embargo, Shuttle eliminó los ventiladores y tenía un circuito especial Evite-Apollo-13 en los tanques de O2).

Un fluido supercrítico es cualquier sustancia a una temperatura y presión por encima de su punto crítico, donde no existen distintas fases líquidas y gaseosas.

(enlace de wikipedia en cuestión)

La falta de fases distintas es importante para sistemas como los sistemas criogénicos Apollo y Shuttle. Las propiedades de transferencia de calor del O2 gaseoso y el O2 líquido son bastante diferentes: si se permitiera que el fluido tuviera burbujas de gas, podrían producirse puntos calientes en las superficies del calentador adyacentes a las burbujas, lo que podría ser desastroso en el entorno de O2 puro.

Mantener los criógenos de O2 y H2 para las celdas de combustible en condiciones supercríticas es un diseño inteligente por varias razones.

• No hay preocupación por mantener los fluidos en la salida del tanque. Los fluidos supercríticos ocupan todo el volumen del tanque.
• Es sencillo administrar las propiedades de los fluidos: se puede hacer con un sistema de control de sensor de presión/calentador relativamente sencillo.
• No se necesitan bombas u otros dispositivos para expulsar los fluidos, la alta presión en los tanques lo hace por usted.
• Sin dinámica de chapoteo porque no hay límite de líquido/vapor (gracias a Tristan por el comentario, también mencionado en la referencia aquí )

Aquí están los gráficos de cantidad/presión/temperatura del tanque para los tanques Shuttle.

Las desventajas incluyen tener que usar energía para hacer funcionar los calentadores, tanques relativamente pesados ​​​​y costosos: tienen que soportar altas presiones y tienen camisas de vacío y, por supuesto, el peligro de hacer funcionar los calentadores en un entorno de O2 puro.

Shuttle tenía un circuito especial en sus tanques de O2 para prevenir un desastre tipo Apolo 13. Los sensores midieron la corriente que entraba y salía de los paneles del calentador. Si las corrientes de entrada y salida no eran muy similares, se sospechaba de un cortocircuito en los calentadores, y los calentadores se desconectaron.

Fuente: Orbiter Systems Instructor Console Handbook (no en línea)

Hay una buena descripción del sistema criogénico Orbiter en el Manual de prensa . Aquí hay un esquema del sistema de tanque de O2 desde allí.

No soy químico, pero me arriesgaré y sugeriré una forma de resolver algunos problemas en los comentarios.

Me parece que mientras esté por encima de la presión crítica y la temperatura crítica al mismo tiempo, es un fluido supercrítico; así el nombre.

Entonces, mientras la presión esté por encima de 50,4 bar y la temperatura esté por encima de 154,5 K (-118,6 C), es supercrítico. Y en un tanque todo será supercrítico o nada, a menos que haya un gradiente transitorio de temperatura o presión.

Esta excelente respuesta explica que la fase supercrítica del oxígeno y muchos otros gases a menudo pueden comportarse de manera similar a un gas ideal "normal" y no ser "inestable con todo tipo de propiedades sorprendentes y extrañas". ¡Recomiendo encarecidamente dar una lectura!

arriba: https://www.engineeringtoolbox.com/oxygen-d_1422.html

a continuación: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phase-diag2.svg

Aquí hay un video de cómo se ve una fase de líquido + gas en transición a un estado supercrítico. La línea donde la superficie del líquido se encuentra con el gas simplemente se desvanece y el color (que resulta ser cloro) se vuelve a medio camino entre el líquido más oscuro y el gas más claro. Bastante genial, ¡especialmente si observas cómo se convierte de nuevo en líquido + gas al final!

Si desea almacenar la mayor cantidad posible de oxígeno en un volumen determinado, debe aumentar significativamente la densidad. Hay dos maneras de lograr eso.

• Baja temperatura (líquido criogénico)
• Alta presión (fluido supercrítico)

Si no necesita almacenarlo durante mucho tiempo (por ejemplo, durante un lanzamiento), el oxígeno líquido criogénico tiene muchos beneficios. Obtiene la máxima densidad y los tanques no tienen que soportar altas presiones.

Pero para una misión extendida, el almacenamiento criogénico es problemático. Debe tener capacidad para manejar una evaporación significativa o necesita sistemas de enfriamiento activos (que requieren potencia, masa y complejidad). La alternativa es dejar que alcance la temperatura ambiente y aguantar las altas presiones que requiere.

Entonces, en una misión de duración media a larga como Apolo, el almacenamiento criogénico cuesta mucho. Eso hace que la menor densidad de los fluidos supercríticos se convierta en una compensación aceptable.