Un motore criogenico è in genere un motore a razzo progettato per sfuggire alla gravità terrestre per inviare sonde nello spazio o per sollevare i satelliti in orbita. Usano combustibili liquidi che vengono raffreddati a temperature molto basse e che altrimenti sarebbero allo stato gassoso a pressione e temperatura atmosferiche normali, come l’idrogeno e l’ossigeno. Questi combustibili sono utilizzati in uno dei due progetti principali per produrre forza propellente. O l’idrogeno viene vaporizzato come combustibile e acceso dall’ossidante dell’ossigeno per generare la spinta standard del razzo caldo, oppure vengono miscelati per creare vapore super caldo che esce dall’ugello del motore e crea spinta.
Cinque nazioni attualmente possiedono sistemi di propulsione con motore criogenico testati con successo a partire dal 2011. Questi includono Stati Uniti, Russia e Cina, nonché Francia e Giappone. Sono in corso i lavori presso il Centro aerospaziale tedesco di Lampoldshausen, in Germania, per sviluppare la propulsione criogenica. L’India ha anche testato sul campo un progetto di razzo criogenico di recente, nel 2009, prodotto dall’Indian Space Research Organisation (ISRO), che ha provocato un guasto catastrofico del veicolo di prova.
L’ingegneria criogenica per i combustibili per missili esiste almeno dal progetto degli anni ‘1960 del razzo Saturn V, utilizzato dalle missioni Apollo Moon degli Stati Uniti. Anche i motori principali dello Space Shuttle americano utilizzano combustibili immagazzinati criogenicamente, così come molti dei primi modelli di missili balistici intercontinentali (ICBM) usati come deterrenti nucleari da Russia e Cina. I razzi a propellente liquido hanno una maggiore spinta e, quindi, velocità rispetto ai loro omologhi a propellente solido, ma sono immagazzinati con serbatoi di carburante vuoti, poiché i combustibili possono essere difficili da mantenere e deteriorano le valvole e i raccordi del motore nel tempo. L’uso di carburante criogenico come propellente ha richiesto strutture di stoccaggio per il carburante, in modo che possa essere pompato nei serbatoi di contenimento dei motori a razzo quando necessario. Poiché il tempo di lancio dei missili alimentati da un motore criogenico può essere ritardato fino a diverse ore e lo stoccaggio del carburante è rischioso, gli Stati Uniti si sono convertiti a tutti gli ICBM nucleari a combustibile solido negli anni ‘1980.
L’idrogeno liquido e l’ossigeno liquido sono immagazzinati a livelli di -423° Fahrenheit (-253° Celsius) e -297° Fahrenheit (-183° Celsius), rispettivamente. Questi elementi sono facilmente ottenibili e offrono uno dei maggiori tassi di conversione dell’energia dei combustibili liquidi per la propulsione a razzo, quindi sono diventati i combustibili preferiti per ogni nazione che lavora su progetti di motori criogenici. Producono anche uno dei tassi di impulso specifici più alti conosciuti per la propulsione di razzi chimici fino a 450 secondi. L’impulso specifico è una misura della variazione della quantità di moto per unità di carburante consumato. Un razzo che generi 440 impulsi specifici, come un motore criogenico dello Space Shuttle nel vuoto, raggiungerebbe una velocità di circa 9,900 miglia all’ora (15,840 chilometri all’ora), che è appena sufficiente per mantenerlo in un’orbita di decadimento intorno alla Terra per un periodo di tempo prolungato.
Una nuova variazione sui motori criogenici è il Common Extensible Cryogenic Engine (CECE) sviluppato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) negli Stati Uniti. Utilizza l’ossigeno liquido tipico e il carburante a idrogeno, ma anche l’intero motore stesso è super raffreddato. Il carburante si mescola per creare vapore surriscaldato a 5,000° Fahrenheit (2,760° Celsius) come una forma di spinta del razzo che può essere accelerata su e giù da poco più del 100% al 10% dei livelli di spinta, per manovre in ambienti di atterraggio come sulla superficie di la luna. Il motore è stato sottoposto a test con successo fino al 2006 e potrebbe essere utilizzato sia in future missioni con equipaggio su Marte che sulla Luna.