Το Εθνικό Κέντρο Σύνθετων του Ηνωμένου Βασιλείου (NCC) έχει αναπτύξει μια διαστημική συσκευή επίδειξης δεξαμενής αποθήκευσης υγρού υδρογόνου που έχει μήκος 750 mm, διάμετρο 450 mm και χωράει πάνω από 96 λίτρα υγρού υδρογόνου.

Η δεξαμενή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί με ονομαστικό πάχος τοιχώματος 4,0 έως 5,5 mm, επιτρέποντάς της να αντέχει σε πίεση 85 μπαρ. Το σύνθετο σώμα από ανθρακονήματα ζυγίζει μόνο 8 κιλά και σχεδιάζεται περαιτέρω βελτιστοποίηση βάρους. Το NCC χρησιμοποιεί προεμποτισμό από εποξειδικές ίνες άνθρακα MTC510 πλάτους 300 mm. Το MTC510 είναι ένα σύστημα εποξειδικής ρητίνης σχεδιασμένο να ωριμάζει μεταξύ 80°C και 120°C και είναι σκληρυμένο για να βελτιώνει την ανοχή σε ζημιές. Η BINDATEX παρείχε την ταινία prepreg, η οποία κόπηκε με ακρίβεια σε πλάτος 6,35 mm και επέστρεψε ως υλικό 22.000 μέτρων για χρήση στον εξοπλισμό αυτόματης τοποθέτησης ινών Κοριόλις (AFP). Η συσκευή Κοριόλις AFP χρησιμοποιήθηκε για να τυλίξει την ταινία προεμποτισμού 6,35 mm γύρω από ένα καλούπι που πλένεται, με τη διαδικασία περιέλιξης να ελέγχεται από εξειδικευμένο λογισμικό για τη διαχείριση τόσο της ελικοειδούς όσο και της στεφάνης περιέλιξης. Η διαδικασία περιέλιξης, με πάνω από 24 στρώματα και πάχος έως και 5,5 mm, μπορεί να ρυθμιστεί για να βελτιστοποιήσει τις συγκεκριμένες απαιτήσεις πίεσης ή φορτίου της δεξαμενής.

Το καλούπι πυρήνα, με πάχος τοιχώματος 30 mm, χυτεύτηκε σε δύο μέρη και στη συνέχεια συγκολλήθηκε μεταξύ τους. Το εργαλείο περιλαμβάνει τρεις πλενόμενους εσωτερικούς ενισχυτικούς δακτυλίους σχεδιασμένους να αντέχουν τα αναμενόμενα στρεπτικά φορτία κατά την αυτόματη τοποθέτηση σύνθετης στρώσης και την πίεση που ασκείται κατά τη σκλήρυνση σε αυτόκλειστο. Οι μεταλλικές θυρίδες βαλβίδας υγρού είναι ενσωματωμένες στο καλούπι πυρήνα που πλένεται, εξαλείφοντας την ανάγκη για δευτερεύουσες εργασίες συναρμολόγησης και συγκόλλησης στο τελικό προϊόν. Αυτές οι θύρες συνδέονται με το σύνθετο άνθρακα στα τελευταία στάδια της διαδικασίας κατασκευής. Μετά την περιέλιξη, η δεξαμενή επιθεωρείται για ελαττώματα και διακυμάνσεις πάχους, ωριμάζει σε αυτόκλειστο στους 100°C και επιθεωρείται εκ νέου. Οι μη καταστροφικές δοκιμές μετά την ωρίμανση (NDT) με χρήση υπερηχητικής σάρωσης C και θερμογραφίας συγκρίνονται για τον εντοπισμό τυχόν ελαττωμάτων όπως αποκολλήσεις και πορώδες. Τέλος, το καλούπι του εσωτερικού πυρήνα ξεπλένεται με κρύο νερό υπό πίεση για να διασφαλιστεί ότι η κοιλότητα της δεξαμενής είναι καθαρή.

Γιατί να χρησιμοποιήσετε υγρό υδρογόνο σε πολιτικά αεροσκάφη;

Το υδρογόνο έχει ενεργειακή πυκνότητα βάρους 33,3 kWh/κιλό σε σύγκριση με την κηροζίνη 12 kWh/κιλό. Υπό κανονική πίεση και θερμοκρασία, το υδρογόνο έχει πυκνότητα 0,090kg/m³. Στα 700 μπαρ (700 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση), η πυκνότητα του υδρογόνου είναι 42kg/m³, επιτρέποντας σε μια δεξαμενή 125L να αποθηκεύσει 5kg υδρογόνου. Στους -252,87°C και 1,013 μπαρ, το υγρό υδρογόνο έχει πυκνότητα κοντά στα 71kg/m³, επιτρέποντας σε μια δεξαμενή 75L να αποθηκεύσει 5kg υδρογόνου. Η αποθήκευση υγρού υδρογόνου σε δεξαμενές χαμηλής θερμοκρασίας βοηθά στην περαιτέρω μείωση του όγκου.

• 3000 λίτρα αερίου υδρογόνου σε κανονική θερμοκρασία και πίεση ισοδυναμούν σε ενέργεια με 1 λίτρο αεροπορικής κηροζίνης.

• 6 λίτρα αερίου υδρογόνου στα 700 μπαρ ισοδυναμούν σε ενέργεια με 1 λίτρο αεροπορικής κηροζίνης.

• 4 λίτρα (1,05 γαλόνια) υγρού υδρογόνου στους -252,87°C και 1,013 μπαρ παρέχουν την ίδια ενέργεια με 1 λίτρο αεροπορικής κηροζίνης.

Από αυτά τα δεδομένα, είναι σαφές ότι η αποθήκευση υγρού υδρογόνου (-252,87°C) απαιτεί τον μικρότερο όγκο δεξαμενής αποθήκευσης. Οι μικρότεροι όγκοι δεξαμενών ενσωματώνονται ευκολότερα στο αεροδυναμικό σχήμα ενός αεροσκάφους.

Βασικά τεχνικά ζητήματα δεξαμενών αποθήκευσης υγρού υδρογόνου σε χαμηλή θερμοκρασία (-252,87°C):

1. Διατήρηση του υγρού υδρογόνου της δεξαμενής κάτω από -253°C:Επί του παρόντος, χρησιμοποιείται μια δομή με μόνωση κενού μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών δεξαμενών. Η εσωτερική δεξαμενή είναι κατασκευασμένη από σύνθετα υλικά ρητίνης ενισχυμένα με ανθρακονήματα, ενώ η εξωτερική δεξαμενή περιέχει πολλαπλά στρώματα ειδικής μόνωσης.

2. Εγκατάσταση και συντήρηση εσωτερικών συστημάτων στη δεξαμενή:Η πρόκληση της εγκατάστασης και συντήρησης αγωγών και εξαρτημάτων του συστήματος μέσα στη δεξαμενή εάν χρησιμοποιείται η τρέχουσα διαδικασία περιέλιξης ινών.

3. Επιλογή υλικού για τη δεξαμενή και τα εσωτερικά της εξαρτήματα:Η επίδραση του περιβάλλοντος χαμηλής θερμοκρασίας (-252,87°C) στα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη δεξαμενή και τα εσωτερικά εξαρτήματά της.

4. Τεχνικές δοκιμών χαμηλής θερμοκρασίας και τεχνολογίες διαχείρισης λιγοστών καυσίμων.

5. Διαρκείς συχνές απογειώσεις και προσγειώσεις:Η δεξαμενή υδρογόνου πρέπει να αντέχει περίπου 20.000 απογειώσεις και προσγειώσεις.

Επιπτώσεις στη δομή του αεροσκάφους

Οι δεξαμενές καυσίμου στη δομή πτερυγίων ενός αεροσκάφους είναι κοιλότητες που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση καυσίμου. Μια δεξαμενή πτέρυγας A320 μπορεί να αποθηκεύσει περίπου 20 τόνους αεροπορικής κηροζίνης (παρόμοια με τα Boeing 737 και COMAC C919). Αντικαθιστώντας την κηροζίνη με υγρό υδρογόνο, μια κυλινδρική δεξαμενή υγρού υδρογόνου 94 m³ θα μπορούσε να εγκατασταθεί μόνο στην πίσω άτρακτο, απαιτώντας σημαντική επιμήκυνση της ατράκτου. Η πίσω άτρακτος έχει κωνικό σχήμα με μέγιστη διάμετρο μικρότερη από 4 μέτρα. Η απλή επέκταση της ατράκτου για να χωρέσει μια δεξαμενή 94 m³ δεν είναι πρακτική. Επομένως, η διάμετρος της ατράκτου πρέπει επίσης να αυξηθεί.

Στη νέα σχεδίαση A320, μια στρογγυλή και μια κωνική δεξαμενή τοποθετούνται στην πίσω άτρακτο. Ωστόσο, το εάν η διάμετρος της ατράκτου θα αυξηθεί είναι ακόμα ασαφές, αν και είναι πιθανό. Το Ηνωμένο Βασίλειο αποκάλυψε ένα σχέδιο πολιτικού αεροσκάφους που κινείται με υγρό υδρογόνο, με το στενού αμαξώματος "FZN-1E" να αντικαθιστά το τρέχον A320. Αυτή η νέα σχεδίαση επεκτείνει την άτρακτο κατά 10 μέτρα, αυξάνει τη διάμετρο κατά 1 μέτρο, έχει διάταξη καμπίνας διπλού διαδρόμου, επανασχεδιασμένα φτερά, προστέθηκαν"αεροπλάνα"στη μύτη και οι κινητήρες τοποθετημένοι στην ουρά.

Πρόοδος

Οι κινητήρες πολιτικών αεροσκαφών διατίθενται σε δύο τύπους: κινητήρες στροβιλοκινητήρα και κινητήρες αεριωθούμενη μηχανή. Για αεροσκάφη με κινητήρες στροβιλοκινητήρα, το υδρογόνο παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω κυψελών καυσίμου για γεννήτριες που κινούν τους έλικες. Αυτός ο τύπος κινητήρα εγκαθίσταται κυρίως σε περιφερειακά αεροσκάφη με 10 έως 70 θέσεις και μικρά αεροσκάφη γενικής αεροπορίας. Η αρχική έρευνα με καύσιμα υδρογόνου ξεκίνησε με αυτούς τους τύπους αεροσκαφών. Στις 12 Απριλίου, ένα γερμανικό 4θέσιο υδρογόνο-ηλεκτρικό αεροπλάνο «HY-4» πέταξε με επιτυχία από τη Στουτγάρδη στο Friedrichshafen. Αργότερα φέτος, ενδέχεται να δούμε υδρογονοηλεκτρικά αεροπλάνα «Dornier» 19 θέσεων και «Q-400» και «ATR72-600» 75 θέσεων στον ουρανό. Τον Απρίλιο του 1988, η Σοβιετική Ένωση πέταξε δοκιμαστικά ένα τροποποιημένο Tu-155 με κινητήρα στροβιλοκινητήρα υγρού υδρογόνου. Μετά τη διάλυση της Σοβιετικής Ένωσης, η Ρωσία δεν συνέχισε αυτή την έρευνα.

Επί του παρόντος, μόνο τέσσερις εταιρείες παγκοσμίως παράγουν και αναπτύσσουν πολιτικά αεροσκάφη με περισσότερες από 100 θέσεις: Boeing, Airbus, COMAC και Ρωσία. Σύμφωνα με πρόσφατη αναφορά ξένων μέσων ενημέρωσης, μόνο η Boeing και η Airbus διεξάγουν πραγματική έρευνα εφαρμογών πολιτικών αεροσκαφών υγρού υδρογόνου. Το έργο της Boeing, που πραγματοποιήθηκε πριν από μια δεκαετία σε ένα μικρό"Ντιμόνα"προπέλα ανεμόπτερο, ήταν προκαταρκτική. Η Airbus προηγείται, έχοντας ξεκινήσει δοκιμές πτήσης σε μεγάλο ύψος κινητήρων στροβιλοκινητήρων με υγρό υδρογόνο. Έχουν επίσης παράσχει προκαταρκτικά σχέδια για τρεις τύπους αεροσκαφών: αεροσκάφη με έλικα, αεροσκάφη 150 θέσεων και αεροσκάφη ευρείας ατράκτου. Περισσότερες πληροφορίες είναι διαθέσιμες για το αεροσκάφος 150 θέσεων, το οποίο πρόκειται να αντικαταστήσει το μονόκλιτο A320 150 θέσεων που κυκλοφορεί στην αγορά για σχεδόν 40 χρόνια. Η Airbus σχεδιάζει να ξεκινήσει ένα"νέο Α320"μεταξύ 2030 και 2035. Το νέο αεροσκάφος θα διαθέτει ένα"αλμπατρός"αεροδυναμική διαμόρφωση με εξαιρετικά υψηλή αναλογία διαστάσεων, αναδίπλωση, αναδιπλούμενα άκρα φτερών και χωρίς πτερύγια φέρινγκ. Τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης ενισχυμένα με θερμοσκληρυνόμενες ίνες άνθρακα για τα φτερά και σύνθετα θερμοπλαστικά ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης για την άτρακτο. Αυτό το νέο αεροσκάφος θα χρησιμοποιεί υγρό υδρογόνο αντί για αεροπορική κηροζίνη, με στόχο σχεδιασμού και κατασκευής την παραγωγή 70-100 αεροσκαφών το μήνα. Η Airbus είναι πολύ μπροστά από την Boeing στην ανάπτυξη αεροσκαφών με υγρό υδρογόνο (δεν έχουν αναφερθεί πληροφορίες σχετικά με την αντικατάσταση του 737 από την Boeing με υγρό υδρογόνο).

Τι μπορούμε να κάνουμε?

Η χρήση υδρογόνου αντί για ορυκτά καύσιμα όχι μόνο αντιμετωπίζει τις εκπομπές άνθρακα, αλλά έχει επίσης στρατηγική σημασία για τις χώρες που δεν διαθέτουν πετρελαϊκούς πόρους. Η Κίνα είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός υδρογόνου στον κόσμο, με ετήσια παραγωγή περίπου 33 εκατομμυρίων τόνων. Αρκετές εταιρείες εμπλέκονται στην παραγωγή υγρού υδρογόνου και η Κίνα είναι ο δεύτερος μεγαλύτερος παραγωγός ανθρακονημάτων παγκοσμίως. Έτσι, η ανάπτυξη και η παραγωγή σύνθετων δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου έχουν μια σταθερή βάση υλικού.

Οι διαφορετικές δεξαμενές αποθήκευσης υγρού υδρογόνου στην αεροδιαστημική και στην αεροπορία που συζητούνται σε αυτό το άρθρο δείχνουν ότι οι δεξαμενές αποθήκευσης έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί για να καλύπτουν τις συγκεκριμένες ανάγκες και τους δομικούς χώρους διαφόρων προϊόντων. Επί του παρόντος, πολλά βιομηχανικά προϊόντα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα ή ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο. Αυτά μπορούν να εξετάσουν τη μετάβαση σε ενέργεια υδρογόνου. Υπάρχει μια τεράστια γκάμα προϊόντων προς ανάπτυξη στον τομέα αποθήκευσης υδρογόνου και μας περιμένουν πολλές εργασίες.

Ορισμένα δεδομένα σε αυτό το άρθρο, που προέρχονται από το διαδίκτυο, έχουν επαληθευτεί επανειλημμένα ως προς την ακρίβεια. Αυτά τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των αρχικών διαστάσεων σχεδιασμού και χωρητικότητας των δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου.