Το υγρό υδρογόνο (LH₂) αποτελεί ελκυστική επιλογή για τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, χάρη στην υψηλή ογκομετρική ενεργειακή του πυκνότητα. Ωστόσο, ακόμη και οι δεξαμενές με άριστη μόνωση δεν μπορούν να αποτρέψουν πλήρως την εισροή θερμότητας. Καθώς το υγρό θερμαίνεται, το υδρογόνο εξατμίζεται και η πίεση αυξάνεται, οδηγώντας σε απώλειες λόγω εξάτμισης (γνωστές ως «boil-off») κατά την αποθήκευση και τη μεταφορά.
Οι περιορισμοί των απωλειών
Μια ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Hyunchul Oh από το Τμήμα Χημείας του UNIST, εξέτασε κατά πόσον τα πορώδη υλικά θα μπορούσαν να συμβάλουν στον περιορισμό αυτών των απωλειών. Στην ομάδα συμμετείχαν επίσης η καθηγήτρια Hoi Ri Moon από το Πανεπιστήμιο Ewha Womans, ο Δρ. Jitae T. Park από το Πολυτεχνείο του Μονάχου (TUM) στη Γερμανία και η Δρ. Mónica Jiménez-Ruiz από το Ινστιτούτο Laue–Langevin (ILL) στη Γαλλία. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μεταλλο-οργανικά πλέγματα (MOFs) —κρυσταλλικά υλικά με υψηλό πορώδες— για να δεσμεύσουν το υδρογόνο που εξατμίζεται και να καθυστερήσουν την απελευθέρωσή του καθώς η θερμότητα εισέρχεται στη δεξαμενή. Η σχετική μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Τα MOFs διαθέτουν δίκτυα πόρων νανομετρικής κλίμακας, ικανά να προσροφούν υδρογόνο στις εσωτερικές τους επιφάνειες. Σε κρυογονικές θερμοκρασίες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων υδρογόνου και των τοιχωμάτων των πόρων συμβάλλουν στη συγκράτηση του αερίου, επιβραδύνοντας τη συσσώρευση πίεσης. Η προσέγγιση αυτή συμπληρώνει τη συμβατική μόνωση: αντί να εστιάζει αποκλειστικά στον περιορισμό της εισροής θερμότητας στη δεξαμενή, μεταβάλλει επίσης τον τρόπο με τον οποίο αντιδρά το υδρογόνο μόλις εισέλθει θερμότητα στο σύστημα.
Τα πλεονεκτήματα
Το κρίσιμο ερώτημα είναι αν αυτό το πλεονέκτημα επιτυγχάνεται εις βάρος της χωρητικότητας αποθήκευσης. Ένα πορώδες υλικό καταλαμβάνει χώρο που διαφορετικά θα φιλοξενούσε υγρό υδρογόνο. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές συνέκριναν δύο MOFs με πολύ διαφορετικές δομές: το IRMOF-20, ένα άκαμπτο πλέγμα με μεγάλο όγκο πόρων, και το MIL-53(Al), ένα εύκαμπτο πλέγμα του οποίου οι πόροι διαστέλλονται και συστέλλονται κατά την προσρόφηση του υδρογόνου.
Το IRMOF-20 προσέφερε μια ιδιαίτερα ευνοϊκή ισορροπία. Όταν οι ερευνητές συνυπολόγισαν τον χώρο που καταλαμβάνει το υλικό, το σύστημα διατήρησε περίπου το 97% της ογκομετρικής χωρητικότητας που θα είχε το καθαρό υγρό υδρογόνο. Αυτό κατέστη δυνατό επειδή το υδρογόνο που εγκλωβιζόταν στους πόρους συσσωρευόταν με επαρκή πυκνότητα ώστε να αντισταθμίσει μεγάλο μέρος του χώρου που καταλάμβανε το MOF.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές προχώρησαν στη μοντελοποίηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις απώλειες εξάτμισης σε μια δεξαμενή υγρού υδρογόνου βιομηχανικής κλίμακας (κα Υπό τις συνθήκες μόνωσης μέτριου κενού που εξετάστηκαν, προβλέφθηκε ότι το καθαρό υγρό υδρογόνο θα εξαντλούνταν μετά από περίπου 64 ημέρες. Με τη χρήση του IRMOF-20, το διάστημα αυτό αυξήθηκε στις περίπου 221 ημέρες — δηλαδή υπερτριπλασιάστηκε.
Το υλικό MIL-53(Al) παρουσίασε διαφορετική συμπεριφορά. Συγκρατούσε το υδρογόνο πιο ισχυρά καθώς αυξανόταν η θερμοκρασία, αλλά η ογκομετρική του χωρητικότητα αντιστοιχούσε μόλις στο 53% περίπου εκείνης του υγρού υδρογόνου. Η αντίθεση αυτή αναδεικνύει μια βασική επιλογή σχεδιασμού για τα πορώδη υλικά που προορίζονται για την κρυογονική αποθήκευση υδρογόνου: ο μεγαλύτερος όγκος πόρων ευνοεί τη χωρητικότητα, ενώ ο ισχυρότερος περιορισμός μπορεί να βελτιώσει τη θερμική συγκράτηση.
«Συνδυάζοντας τον όγκο των πόρων, την πυκνότητα του υδρογόνου και τη συμπεριφορά εκρόφησης (desorption), διαπιστώσαμε ότι τα πορώδη υλικά θα μπορούσαν να μειώσουν τις απώλειες λόγω εξάτμισης (boil-off), διατηρώντας παράλληλα μεγάλο μέρος της χωρητικότητας αποθήκευσης που απαιτείται για τη μεταφορά υγρού υδρογόνου. Οι υπολογισμοί αυτοί αντιπροσωπεύουν ένα ιδεατό ανώτατο όριο, επομένως απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να διαπιστωθεί σε ποιο βαθμό μπορεί να αναπαραχθεί αυτή η απόδοση σε πρακτικά συστήματα δεξαμενών», δηλώνει ο Oh, επικεφαλής της μελέτης.
Ο ρόλος των νετρονίων
Τα πειράματα παρείχαν ενδείξεις σχετικά με τους λόγους για τους οποίους το IRMOF-20 παρουσίασε αυτή τη συμπεριφορά. Οι μετρήσεις προσρόφησης έδειξαν ότι το υδρογόνο, περιορισμένο εντός των πόρων του υλικού, αποκτούσε ενεργό πυκνότητα υψηλότερη από εκείνη του υγρού υδρογόνου σε μακροσκοπική κλίμακα (bulk liquid hydrogen).
Πειράματα ανελαστικής σκέδασης νετρονίων στο όργανο IN1-Lagrange του ινστιτούτου ILL —τα οποία διεξήχθησαν από τον Park (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum στο TUM) και τον Jiménez-Ruiz (ILL)— αποκάλυψαν περιορισμένη μοριακή περιστροφή στο εσωτερικό των πόρων, παρέχοντας έμμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του υδρογόνου και του σκελετού του υλικού. Συνολικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι ο περιορισμός σε νανοκλίμακα μπορεί αφενός να επιτρέψει την πυκνή συσσώρευση του υδρογόνου και αφετέρου να το σταθεροποιήσει, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή του καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
«Τα νετρόνια είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τη μελέτη των κβαντικών περιστροφικών διεγέρσεων του H₂, καθώς το υδρογόνο παρουσιάζει μεγάλη ενεργό διατομή σκέδασης νετρονίων, ενώ η ανελαστική σκέδαση νετρονίων επιτρέπει την άμεση διερεύνηση της μοριακής κίνησης, χωρίς τους οπτικούς κανόνες επιλογής που περιορίζουν τη φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman», εξηγεί ο ερευνητής του TUM, Park.
Το περιστροφικό φάσμα του στερεού παρα-υδρογόνου χαρακτηρίζεται από μια πολύ οξεία περιστροφική γραμμή στα 14,7 meV. Οι μεταβολές στη θέση αυτής της περιστροφικής γραμμής, κατά την αλληλεπίδραση με διάφορα υλικά-ξενιστές, μπορούν να αξιοποιηθούν για τη διερεύνηση της φύσης του δυναμικού αλληλεπίδρασης. Όταν το υδρογόνο αλληλεπιδρά με μια επιφάνεια, τόσο η θέση όσο και το σχήμα της περιστροφικής γραμμής εξαρτώνται άμεσα από το τοπικό περιβάλλον.
«Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη μεταβολή της περιστροφικής κατάστασης του H₂ ένα ευαίσθητο μέσο διερεύνησης της αλληλεπίδρασης μεταξύ του υδρογόνου και του περιβάλλοντός του. Στο πλαίσιο αυτό, το φασματόμετρο IN1-Lagrange στο Ινστιτούτο Laue-Langevin είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τη μελέτη του H₂ που είναι εγκλωβισμένο σε πορώδη υλικά. Το όργανο συνδυάζει ένα ευρύ φάσμα μεταφοράς ενέργειας, υψηλή ροή νετρονίων και καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα, επιτρέποντας τη μέτρηση μεταβολών στη θέση, το σχήμα και τον διαχωρισμό της περιστροφικής μετάβασης του H₂, καθώς και τη χρησιμοποίησή τους ως ευαίσθητων δεικτών της αλληλεπίδρασης H₂-επιφάνειας», δηλώνει ο Jiménez-Ruiz, επιστήμονας του ILL υπεύθυνος για το όργανο IN1-Lagrange.
www.worldenergynews.gr
