Блог

Jun 01, 2024

Может ли материаловедение решить проблемы водородных самолетов?

Многообещающей альтернативой хранению водорода в газообразном состоянии является хранение в жидком состоянии в криогенных резервуарах (21,2K/-251,8°C) при атмосферном давлении. Фото: Дудаева через Shutterstock. Выбор и проектирование

Многообещающей альтернативой хранению водорода в газообразном состоянии является хранение в жидком состоянии в криогенных резервуарах (21,2K/-251,8°C) при атмосферном давлении. Фото: Дудаева через Shutterstock.

Выбор и разработка конкретных современных материалов (AdM) играют важную роль в проектировании водородных самолетов. Особенно важным является эффективное хранение водорода, для чего необходимо, чтобы выбранный материал либо сильно взаимодействовал с водородом, либо вообще не реагировал. Были идентифицированы шесть методов обратимого хранения водорода с высокой объемной и гравиметрической плотностью, которые приблизительно сосредоточены вокруг трех типов хранения: хранение газа под высоким давлением, хранение криогенной жидкости и абсорбированное хранение, при котором водород поглощается материалом, а затем избирательно высвобождается. .

Газовые баллоны высокого давления (<20 МПа) в настоящее время являются наиболее распространенным методом хранения водорода, при этом аустенитные нержавеющие стали (разновидность нержавеющей стали, содержащая значительное количество хрома и никеля) и алюминиевые сплавы являются наиболее популярными на сегодняшний день из-за их очень высокая прочность на разрыв и относительно низкая плотность, а также их высокая устойчивость к воздействию водорода (реакция и диффузия) при температуре окружающей среды. Также были разработаны легкие, армированные волокном композитные конструкции, которые, хотя и не изотропны (одинаковы во всех направлениях) по прочности, но могут быть рассчитаны на выдерживание давления до 80 МПа при значительной объемной плотности – ключевом факторе мобильного хранения водорода. Однако критической проблемой при хранении газа под высоким давлением является противоречие объемной и весовой плотности, при котором увеличение давления увеличивает первое, но уменьшает второе, и наоборот. Хотя на сегодняшний день газовых баллонов достаточно, для водородных самолетов необходимы новые конструкции.

Одной из таких весьма многообещающих альтернатив хранению водорода в газообразном состоянии является хранение в жидком состоянии в криогенных резервуарах (21,2K/-251,8°C) при атмосферном давлении. Это даст множество преимуществ, включая повышение безопасности в результате снижения рабочего давления и повышение гибкости конструкции резервуаров, поскольку резервуары под давлением обычно могут быть построены только с цилиндрической геометрией. Однако существует одна фундаментальная проблема с хранением криогенной жидкости: стоимость. Цикл Джоуля-Томпсона/Линде, простейший метод сжижения водорода, по-прежнему сложен и, следовательно, дорог. Кроме того, хранение при криогенных температурах является сложным, и потери при испарении могут быть результатом утечек тепла. В оптимальных условиях (сферический дьюар с двойными стенками и вакуумной изоляцией) в резервуаре емкостью 100 м³ ежедневные потери обычно составляют 0,2%, хотя для неоптимальных конструкций резервуаров (например, несферических резервуаров), вероятно, необходимых для самолетов, этот показатель будет увеличиваться.

Хотя оно менее развито, также возможно хранение путем абсорбции. Существует несколько предположений, в том числе о физисорбции (притяжении) молекул водорода на поверхность твердого тела. Возможными субстратами являются материалы с большой удельной площадью поверхности (т.е. отношение площади поверхности к весу), такие как наноструктурированный или активированный уголь и углеродные нанотрубки (УНТ). УНТ представляют особый интерес как полость трубки, ширина которой составляет менее нескольких молекулярных диаметров, что приводит к перекрытию полей и увеличению силы притяжения между углеродом и водородом. Для сравнения, плоские листы графена в графите имеют меньшую привлекательность, но их легче производить.

Физисорбция для хранения водорода имеет потенциал благодаря низкому рабочему давлению и стоимости материалов, а также простой конструктивной архитектуре, однако малые объемная и весовая плотности являются существенными недостатками. Другим методом хранения твердого водорода является реакция с переходными металлами при повышенных температурах с образованием гидридов. Водород реагирует со многими из более электроположительных элементов (например, Sc, Ti, Va) и находится в металлической кристаллической структуре без изменения давления в системе. Это может привести к чрезвычайно высокой объемной плотности водорода, что делает гидриды металлов очень эффективным методом безопасного и компактного хранения больших количеств водорода. Однако достижимая в настоящее время гравиметрическая плотность около 3 массовых % является ограничивающим фактором для самолетов, а это означает, что задача создания легкой металлогидридной системы все еще остается.