На долю авиации приходится примерно 2 % глобальных выбросов CO₂, в связи с чем влияние отрасли на климат растет. В стремлении к устойчивому развитию авиации водород стал многообещающей альтернативой. Он переносит больше энергии на килограмм, чем реактивное топливо, и не выделяет углекислого газа. Но безопасное хранение и использование жидкого водорода в самолетах до сих пор создавало серьезные проблемы.
С учетом этого эксперты из инженерного колледжа FAMU-FSU разработали систему хранения и доставки жидкого водорода, которая решает сразу несколько проблем, представив тем самым первую в мире водородную систему для заправки топливом и охлаждения реактивных самолетов будущей водородной авиации. Эта конструкция позволяет оптимизировать использование жидкого водорода как в энергетике, так и в охлаждении, что значительно повышает эффективность. Как отмечают американские обозреватели, работа инженерного колледжа FAMU-FSU может помочь превратить полеты на водородных двигателях с нулевым уровнем выбросов в практическую реальность. “Этот проект закладывает основу для создания реальных водородных авиационных систем”, - сказал Вэй Го, профессор кафедры машиностроения инженерного колледжа FAMU-FSU и автор исследования.
Согласно опубликованным сведениям, система была разработана для концептуального гибридно-электрического самолета на 100 пассажиров.
Она использует энергию как от водородных топливных элементов, так и от сверхпроводниковых генераторов с турбинным приводом. Вместо того, чтобы создавать отдельные системы для хранения, охлаждения и доставки топлива, команда исследователей инженерного колледжа FAMU-FSU создала единую интегрированную систему для управления всеми тремя. “Нашей целью было создать единую систему, которая выполняла бы несколько важных задач: хранение топлива, охлаждение и контроль доставки”, - сказал Вэй Го.
Как объясняют исследователи, для экономии места водород должен храниться в виде криогенной жидкости при температуре -253°C. Вместо того, чтобы сосредоточиться только на конструкции резервуара, команда оптимизировала всю систему. Они ввели новый весовой показатель — отношение полезного количества водорода к общей массе системы. При регулировке давления на выходе, размеров теплообменника и других параметров весовой индекс системы составил 0,62. Это означает, что 62 % веса системы приходится на водородное топливо, демонстрируя заметное улучшение по сравнению с традиционными установками.
Еще одной проблемой при реализации этого проекта было охлаждение без увеличения веса, так как сверхпроводящие системы на электрических самолетах должны оставаться холодными. Вместо установки отдельной системы охлаждения команда исследователей использовала сам жидкий водород для отвода тепла от критически важных компонентов. Проходя через теплообменники, водород поглощает тепло, выделяемое генераторами, двигателями, кабелями и электроникой. Такой поэтапный подход повышает эффективность. Кроме того, водород нагревается до идеальной температуры, прежде чем попасть в топливные элементы и турбины. “Мы не только показали, что это возможно, но и продемонстрировали, что для такого типа конструкции необходима оптимизация на системном уровне”, - сказал Вэй Го.
Кроме того, исследователям пришлось заняться проблемой перемещения криогенного водорода по самолету, которое сопряжено с большим риском, ведь механические насосы могут выходить из строя, увеличивать вес и выделять тепло. Чтобы избежать этих проблем, команда разработала систему без использования насосов. Для регулирования расхода водорода используется давление в резервуаре, которое регулируется количеством подачи газа через систему вентиляции, управляемую датчиками, реагируя на требования самолета к изменение мощности. Проведенное исследователями компьютерное моделирование показало, что система может выдавать до 0,25 килограмма водорода в секунду – достаточного количества для удовлетворения потребности в 16,2 мегаватт при взлете или аварийных ситуациях.
По сообщению исследователей инженерного колледжа FAMU-FSU, они планируют перейти от моделирования к аппаратному обеспечению. Прототип будет создан и протестирован в Центре передовых энергетических систем (The Center for Advanced Power Systems –CAPS).
Проект является частью Комплексной авиационной программы НАСА по нулевому уровню выбросов. В нем участвуют сотрудники Технологического института Джорджии, Иллинойского технологического института, Университета Теннесси и Университета в Буффало.
Исследования команды опубликованы в журнале Applied Energy.
