Mesin kriogenik biasanya adalah mesin roket yang dirancang untuk melepaskan diri dari gravitasi bumi untuk mengirim probe ke ruang angkasa atau untuk mengangkat satelit ke orbit. Mereka menggunakan bahan bakar cair yang didinginkan hingga suhu yang sangat rendah dan yang jika tidak dalam keadaan gas pada tekanan dan suhu atmosfer normal, seperti hidrogen dan oksigen. Bahan bakar ini digunakan dalam salah satu dari dua desain utama untuk menghasilkan kekuatan propelan. Entah hidrogen diuapkan sebagai bahan bakar dan dinyalakan oleh pengoksidasi oksigen untuk menghasilkan dorong roket panas standar, atau mereka dicampur untuk menciptakan uap super panas yang keluar dari nosel mesin dan menciptakan daya dorong.
Lima negara saat ini memiliki sistem propulsi mesin kriogenik yang berhasil diuji pada 2011. Ini termasuk Amerika Serikat, Rusia, dan Cina, serta Prancis dan Jepang. Bekerja di Pusat Aerospace Jerman di Lampoldshausen, Jerman, sedang berlangsung untuk mengembangkan propulsi kriogenik. India juga telah melakukan uji lapangan desain roket kriogenik baru-baru ini pada tahun 2009, yang diproduksi di Organisasi Penelitian Luar Angkasa India (ISRO), yang mengakibatkan kegagalan besar pada kendaraan uji.
Rekayasa kriogenik untuk bahan bakar roket telah ada setidaknya sejak desain roket Saturn V era 1960-an, yang digunakan oleh misi Apollo Moon Amerika Serikat. Mesin utama Pesawat Ulang-alik AS juga menggunakan bahan bakar yang disimpan secara kriogenik, seperti halnya beberapa model awal rudal balistik antarbenua (ICBM) yang digunakan sebagai pencegah nuklir oleh Rusia dan China. Roket berbahan bakar cair memiliki daya dorong yang lebih besar dan, oleh karena itu, kecepatannya lebih tinggi daripada roket berbahan bakar padat, tetapi disimpan dengan tangki bahan bakar kosong, karena bahan bakarnya sulit dirawat, dan merusak katup dan perlengkapan mesin dari waktu ke waktu. Penggunaan bahan bakar kriogenik sebagai propelan memerlukan fasilitas penyimpanan bahan bakar tersebut, sehingga dapat dipompa ke tangki penampungan mesin roket pada saat dibutuhkan. Karena waktu peluncuran rudal yang ditenagai oleh mesin kriogenik dapat ditunda hingga beberapa jam, dan penyimpanan bahan bakar berisiko, AS mengubah semua ICBM nuklir berbahan bakar padat pada 1980-an.
Hidrogen cair dan oksigen cair masing-masing disimpan pada tingkat -423° Fahrenheit (-253° Celcius) dan -297° Fahrenheit (-183° Celcius). Elemen-elemen ini mudah diperoleh dan menawarkan salah satu tingkat konversi energi terbesar dari bahan bakar cair untuk propulsi roket, sehingga mereka telah menjadi bahan bakar pilihan bagi setiap negara yang mengerjakan desain mesin kriogenik. Mereka juga menghasilkan salah satu tingkat impuls spesifik tertinggi yang diketahui untuk propulsi roket kimia hingga 450 detik. Impuls spesifik adalah ukuran perubahan momentum per unit bahan bakar yang dikonsumsi. Sebuah roket yang menghasilkan 440 impuls spesifik, seperti mesin kriogenik Space Shuttle dalam ruang hampa, akan mencapai kecepatan sekitar 9,900 mil per jam (15,840 kilometer per jam), yang hanya cukup untuk mempertahankannya dalam orbit yang membusuk di sekitar Bumi untuk jangka waktu yang lama. jangka waktu yang diperpanjang.
Variasi baru pada mesin kriogenik adalah Common Extensible Cryogenic Engine (CECE) yang dikembangkan oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA) di AS. Ini menggunakan oksigen cair dan bahan bakar hidrogen yang khas, tetapi seluruh mesin itu sendiri juga sangat dingin. Campuran bahan bakar untuk menciptakan 5,000 ° Fahrenheit (2,760 ° Celcius) uap super panas sebagai bentuk dorong roket yang dapat dicekik naik dan turun dari sedikit di atas 100% hingga 10% tingkat dorong, untuk bermanuver di lingkungan pendaratan seperti di permukaan bulan. Mesin tersebut telah menjalani pengujian yang sukses hingga akhir tahun 2006, dan dapat digunakan pada misi berawak Mars dan Bulan di masa depan.