Birleşik Krallık Ulusal Kompozit Merkezi (NCC), 750 mm uzunluğunda, 450 mm çapında ve 96 litreden fazla sıvı hidrojen tutan bir uzay sıvı hidrojen depolama tankı göstericisi geliştirdi.

Tank, 85 bar basınca dayanabilecek şekilde 4,0 ila 5,5 mm nominal duvar kalınlığına sahip olacak şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir. Karbon fiber kompozit gövde yalnızca 8 kilogram ağırlığındadır ve daha fazla ağırlık optimizasyonu planlanmaktadır. NCC, 300 mm genişliğinde MTC510 epoksi karbon fiber prepreg kullanıyor. MTC510, 80°C ile 120°C arasında kürlenmek üzere tasarlanmış ve hasar toleransını artırmak için güçlendirilmiş bir epoksi reçine sistemidir. BINDATEX, Coriolis otomatik fiber yerleştirme (AFP) ekipmanında kullanılmak üzere 6,35 mm genişliğe kadar hassas bir şekilde kesilmiş ve 22.000 metre malzeme olarak geri gönderilen önceden emprenye edilmiş bandı sağladı. Coriolis AFP cihazı, 6,35 mm'lik önceden emprenye edilmiş bandı yıkanabilir bir kalıbın etrafına sarmak için kullanıldı; sarma işlemi, hem helisel hem de kasnak sarımını yönetmek için özel bir yazılım tarafından kontrol ediliyordu. 24'ten fazla katmana ve 5,5 mm'ye kadar kalınlığa sahip sarma işlemi, tankın özel basınç veya yük gereksinimlerini optimize edecek şekilde ayarlanabilir.

30 mm et kalınlığına sahip maça kalıbı iki parça halinde döküldü ve daha sonra birbirine yapıştırıldı. Alet, otomatik kompozit katman yerleştirme sırasında beklenen burulma yüklerine ve otoklav kürleme sırasında uygulanan basınca dayanacak şekilde tasarlanmış üç yıkanabilir dahili takviye halkası içerir. Metal akışkan valf portları yıkanabilir çekirdek kalıbına entegre edilerek nihai üründe ikincil montaj ve yapıştırma işlemlerine duyulan ihtiyaç ortadan kalkar. Bu portlar üretim sürecinin sonraki aşamalarında karbon kompozit ile bağlanır. Sarma işleminden sonra tank, kusurlar ve kalınlık değişimleri açısından incelenir, 100°C'de otoklavda sertleştirilir ve yeniden incelenir. Ultrasonik C-tarama ve termografi kullanılarak yapılan kürleme sonrası tahribatsız muayene (NDT), tabakalara ayrılma ve gözeneklilik gibi kusurları tanımlamak için karşılaştırılır. Son olarak, tank boşluğunun temiz olmasını sağlamak için iç maça kalıbı basınçlı soğuk su ile yıkanır.

Sivil Uçaklarda Neden Sıvı Hidrojen Kullanılıyor?

Hidrojen, gazyağının 12kWh/kg'ına kıyasla 33,3kWh/kg'lık bir ağırlık enerji yoğunluğuna sahiptir. Normal basınç ve sıcaklık altında hidrojenin yoğunluğu 0,090 kg/m³'tür. 700 barda (normal atmosfer basıncının 700 katı), hidrojenin yoğunluğu 42 kg/m³ olup, 125 L'lik bir tankın 5 kg hidrojen depolamasına olanak tanır. -252,87°C'de ve 1,013 bar'da sıvı hidrojenin yoğunluğu 71 kg/m³'e yakındır ve 75 L'lik bir tankın 5 kg hidrojen depolamasına olanak sağlar. Sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda depolanması hacmin daha da azaltılmasına yardımcı olur.

• Normal sıcaklık ve basınçta 3000 litre gaz halindeki hidrojen, enerji açısından 1 litre havacılık kerosenine eşdeğerdir.

• 700 barda 6 litre gaz halindeki hidrojen, enerji açısından 1 litre havacılık kerosenine eşdeğerdir.

• -252,87°C ve 1,013 bar basınçta 4 litre (1,05 galon) sıvı hidrojen, 1 litre havacılık gazyağı ile aynı enerjiyi sağlar.

Bu verilerden, sıvı hidrojenin (-252,87°C) depolanmasının en küçük depolama tankı hacmini gerektirdiği açıktır. Daha küçük tank hacimlerinin uçağın aerodinamik şekline entegre edilmesi daha kolaydır.

Düşük Sıcaklıklı (-252,87°C) Sıvı Hidrojen Depolama Tanklarının Temel Teknik Sorunları:

1. Tankın Sıvı Hidrojenini -253°C'nin Altında Tutmak:Şu anda iç ve dış tanklar arasında vakum yalıtımlı bir yapı kullanılmaktadır. İç tank, karbon fiberle güçlendirilmiş reçine kompozitlerden yapılırken, dış tank, çok sayıda özel yalıtım katmanı içerir.

2. Tank İçi Sistemlerin Kurulumu ve Bakımı:Mevcut fiber sarma prosesi kullanılıyorsa tankın içindeki boru hatları ve sistem bileşenlerinin kurulumu ve bakımının zorluğu.

3. Tank ve İç Aksamlarının Malzeme Seçimi:Düşük sıcaklıktaki ortamın (-252,87°C) tank ve iç bileşenleri için kullanılan malzemeler üzerindeki etkisi.

4. Düşük Sıcaklık Test Teknikleri ve Yakıt Çalkantı Yönetim Teknolojileri.

5. Kalıcı Sık Kalkış ve İnişler:Hidrojen tankının yaklaşık 20.000 kalkış ve inişe dayanabilmesi gerekiyor.

Uçak Yapısına Etkisi

Uçağın kanat yapısındaki yakıt depoları, yakıt depolamak için kullanılan boşluklardır. Bir A320 kanat tankı yaklaşık 20 ton havacılık gazyağı depolayabilir (Boeing 737 ve COMAC C919'a benzer). Gazyağının sıvı hidrojenle değiştirilmesiyle, 94 m³'lük silindirik bir sıvı hidrojen tankı yalnızca gövdenin arka kısmına monte edilebildi ve bu da gövdenin önemli ölçüde uzatılmasını gerektirdi. Arka gövde, maksimum çapı 4 metreden az olan konik bir şekle sahiptir. Gövdeyi 94 m³'lük bir tankı barındıracak şekilde genişletmek pratik değildir; bu nedenle gövde çapının da arttırılması gerekir.

Yeni A320 tasarımında arka gövdeye yuvarlak ve konik bir tank yerleştirilmiştir. Ancak gövde çapının artırılıp artırılmayacağı henüz belli değil, ancak muhtemelen öyle. İngiltere, mevcut A320'nin yerini alacak dar gövdeli "FZN-1E" ile sıvı hidrojenle çalışan sivil uçak tasarımını tanıttı. Bu yeni tasarım, gövdeyi 10 m uzatıyor, çapı 1 m artırıyor, çift koridorlu kabin düzenine sahip, yeniden tasarlanmış kanatlara sahip, eklenmiş"ön planlar"burun üzerinde ve motorlar kuyruğa monte edilmiştir.

İlerlemek

Sivil uçak motorları iki tiptedir: turboprop motorlar ve turbojet motorlar. Turboprop motorlu uçaklar için hidrojen, yakıt hücreleri aracılığıyla pervaneleri çalıştıran jeneratörlere elektrik üretir. Bu tip motor esas olarak 10 ila 70 koltuklu bölgesel uçaklara ve küçük genel havacılık uçaklarına kurulur. İlk hidrojen yakıtlı araştırmalar bu uçak tipleri ile başladı. 12 Nisan'da, 4 kişilik bir Alman “HY-4” hidrojen-elektrik uçağı Stuttgart'tan Friedrichshafen'e başarıyla uçtu. Bu yılın sonuna doğru gökyüzünde 19 koltuklu “Dornier” ve 75 koltuklu “Q-400” ve “ATR72-600” hidrojen-elektrikli uçakları görebiliriz. Nisan 1988'de Sovyetler Birliği, sıvı hidrojen turbojet motoruyla değiştirilmiş Tu-155'in test uçuşunu yaptı. Sovyetler Birliği'nin dağılmasının ardından Rusya bu araştırmaya devam etmedi.

Şu anda dünya çapında yalnızca dört şirket 100'den fazla koltuklu sivil uçak üretiyor ve geliştiriyor: Boeing, Airbus, COMAC ve Rusya. Yabancı basında çıkan son haberlere göre, yalnızca Boeing ve Airbus gerçek sıvı hidrojen sivil uçak uygulama araştırması yürütüyor. Boeing'in on yıldan fazla bir süre önce küçük bir alanda gerçekleştirdiği projesi"Dimona"pervaneli planör ön hazırlıktı. Airbus, sıvı hidrojen yakıtlı turbofan motorların yüksek irtifa uçuş testlerine başlayarak önde gidiyor. Ayrıca üç tip uçak için de ön tasarımlar sağladılar: pervaneli uçak, 150 koltuklu uçak ve geniş gövdeli uçak. Yaklaşık 40 yıldır piyasada olan tek koridorlu, 150 koltuklu A320'nin yerini alacak olan 150 koltuklu uçak hakkında daha fazla bilgi mevcut. Airbus bir uçuş başlatmayı planlıyor"yeni A320"2030 ile 2035 arasında. Yeni uçakta"albatros"Ultra yüksek en-boy oranına sahip, katlanabilen, kanat uçlarını çırpan ve kaporta kanatları olmayan aerodinamik konfigürasyon. Kullanılan malzemeler, kanatlar için termoset karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitler ve gövde için yüksek performanslı termoplastik karbon fiber kompozitler olacak. Bu yeni uçak, havacılık gazyağı yerine sıvı hidrojen kullanacak ve tasarım ve üretim hedefi ayda 70-100 uçak üretmek olacak. Airbus, sıvı hidrojen yakıtlı uçak geliştirmede Boeing'in çok ilerisindedir (Boeing'in 737'yi sıvı hidrojenle değiştirdiğine dair hiçbir bilgi bildirilmemiştir).

Ne yapabiliriz?

Fosil yakıtlar yerine hidrojenin kullanılması, karbon emisyonlarını azaltmanın yanı sıra, petrol kaynaklarına sahip olmayan ülkeler için de stratejik öneme sahiptir. Çin, yıllık yaklaşık 33 milyon ton üretimle dünyanın en büyük hidrojen üreticisidir. Birçok şirket sıvı hidrojen üretimiyle ilgileniyor ve Çin, dünya çapında ikinci büyük karbon elyaf üreticisi konumunda. Bu nedenle kompozit hidrojen depolama tanklarının geliştirilmesi ve üretilmesi sağlam bir malzeme temeline sahiptir.

Bu makalede ele alınan farklı havacılık ve uzay sıvı hidrojen depolama tankları, depolama tanklarının çeşitli ürünlerin özel ihtiyaçlarını ve yapısal alanlarını karşılamak üzere tasarlandığını ve üretildiğini göstermektedir. Günümüzde pek çok endüstriyel ürün hâlâ fosil yakıt veya şebeke elektriği kullanıyor. Bunlar hidrojen enerjisine geçmeyi düşünebilir. Hidrojen depolama alanında geliştirilecek çok sayıda ürün var ve birçok görev bizi bekliyor.

Bu makaledeki internetten alınan bazı verilerin doğruluğu defalarca doğrulanmıştır. Bu veriler, hidrojen depolama tanklarının başlangıç ​​tasarım boyutlarını ve kapasitesini tahmin etmek için kullanılabilir.