Αντιμετωπίζοντας κατά μέτωπο τις εκπομπές αεριωθούμενων αεροσκαφών, αυτός ο σχεδιασμός βελτιστοποιεί τη χρήση υγρού υδρογόνου τόσο για ενέργεια όσο και για ψύξη, προσφέροντας ένα άλμα στην απόδοση.
Το νέο σύστημα υδρογόνου
Αμερικανοί μηχανικοί αποκαλύπτουν το πρώτο σύστημα υδρογόνου στον κόσμο για την τροφοδοσία και την ψύξη μελλοντικών τζετ.
Η αεροπορία ευθύνεται για περίπου το 2% των παγκόσμιων εκπομπών CO₂ και ο αντίκτυπος της βιομηχανίας στο κλίμα αυξάνεται. Με την ώθηση προς βιώσιμες πτήσεις, το υδρογόνο έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση.
Μεταφέρει περισσότερη ενέργεια ανά κιλό από το καύσιμο αεριωθούμενων αεροσκαφών και δεν εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα. Αλλά η ασφαλής αποθήκευση και χρήση του σε αεροσκάφη έχει θέσει σημαντικές προκλήσεις μέχρι τώρα.
Ερευνητές στο Κολλέγιο Μηχανικών FAMU-FSU σχεδίασαν ένα σύστημα αποθήκευσης και παράδοσης υγρού υδρογόνου που αντιμετωπίζει πολλά εμπόδια ταυτόχρονα. Η εργασία τους θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρακτική εφαρμογή της πτήσης με μηδενικές εκπομπές υδρογόνου.
«Αυτός ο σχεδιασμός θέτει τα θεμέλια για πραγματικά συστήματα αεροπορίας υδρογόνου», δήλωσε ο Wei Guo, καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης.
Ο σχεδιασμός του συστήματος
Το σύστημα αναπτύχθηκε για ένα εννοιολογικό υβριδικό-ηλεκτρικό αεροσκάφος 100 επιβατών. Αντλεί ενέργεια τόσο από κυψέλες καυσίμου υδρογόνου όσο και από υπεραγώγιμες γεννήτριες με στροβίλο.
Αντί να κατασκευάσει ξεχωριστά συστήματα για αποθήκευση, ψύξη και παράδοση καυσίμου, η ομάδα δημιούργησε μια ενσωματωμένη εγκατάσταση για τη διαχείριση και των τριών.
«Στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε ένα ενιαίο σύστημα που χειρίζεται πολλαπλές κρίσιμες εργασίες: αποθήκευση καυσίμου, ψύξη και έλεγχο παράδοσης», δήλωσε ο Guo.
Για να είναι αποδοτικό ως προς τον χώρο, το υδρογόνο πρέπει να αποθηκεύεται ως κρυογονικό υγρό στους –253°C. Αντί να επικεντρώνεται μόνο στο σχεδιασμό της δεξαμενής, η ομάδα βελτιστοποίησε ολόκληρο το σύστημα.
Εισήγαγαν έναν νέο βαρυμετρικό δείκτη - την αναλογία του χρησιμοποιήσιμου υδρογόνου προς τη συνολική μάζα του συστήματος.
Η ρύθμιση της πίεσης εξαερισμού, των διαστάσεων του εναλλάκτη θερμότητας και άλλων μεταβλητών πέτυχε έναν βαρυμετρικό δείκτη 0,62. Αυτό σημαίνει ότι το 62% του βάρους του συστήματος είναι χρησιμοποιήσιμο καύσιμο υδρογόνου, μια αξιοσημείωτη βελτίωση σε σχέση με τις συμβατικές διατάξεις.
Ψύξη χωρίς επιπλέον βάρος
Τα υπεραγώγιμα συστήματα σε ηλεκτρικά αεροσκάφη πρέπει να παραμένουν κρύα. Αντί να εγκαταστήσουν ξεχωριστό σύστημα ψύξης, η ομάδα χρησιμοποίησε το ίδιο το υγρό υδρογόνο για να απομακρύνει τη θερμότητα από κρίσιμα εξαρτήματα.
Καθώς το υδρογόνο ρέει μέσω εναλλακτών θερμότητας, απορροφά την απορριπτόμενη θερμότητα από γεννήτριες, κινητήρες, καλώδια και ηλεκτρονικά. Αυτή η σταδιακή προσέγγιση ενισχύει την απόδοση. Επίσης, θερμαίνει το υδρογόνο στην ιδανική θερμοκρασία πριν φτάσει στις κυψέλες καυσίμου και τους στροβίλους.
Χωρίς αντλίες, κανένα πρόβλημα
Η μετακίνηση κρυογονικού υδρογόνου σε όλο το αεροσκάφος εισάγει περισσότερους κινδύνους. Οι μηχανικές αντλίες μπορούν να αποτύχουν, να προσθέσουν βάρος και να παράγουν θερμότητα.
Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα, η ομάδα σχεδίασε ένα σύστημα χωρίς αντλία. Χρησιμοποιεί την πίεση της δεξαμενής για να ρυθμίσει τη ροή του υδρογόνου. Η πίεση διαχειρίζεται μέσω έγχυσης ή εξαέρωσης αερίου, καθοδηγούμενη από αισθητήρες που ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις ισχύος του αεροσκάφους.
Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι το σύστημα μπορεί να παρέχει έως και 0,25 κιλά υδρογόνου ανά δευτερόλεπτο, αρκετά για να καλύψει μια ζήτηση 16,2 μεγαβάτ κατά την απογείωση ή σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.
Κατασκευή και δοκιμή
Η ομάδα σχεδιάζει να περάσει από την προσομοίωση στο υλικό. Ένα πρωτότυπο θα κατασκευαστεί και θα δοκιμαστεί στο Κέντρο Προηγμένων Συστημάτων Ισχύος του FSU. Το έργο αποτελεί μέρος του προγράμματος Ολοκληρωμένης Αεροπορίας Μηδενικών Εκπομπών της NASA.
Σε αυτό συμμετέχουν συνεργάτες από το Georgia Tech, το Illinois Institute of Technology, το Πανεπιστήμιο του Τενεσί και το Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο.
www.worldenergynews.gr
