قام المركز الوطني للمركبات في المملكة المتحدة (إن سي سي) بتطوير خزان للهيدروجين السائل الفضائي يبلغ طوله 750 ملم وقطره 450 ملم ويتسع لأكثر من 96 لترًا من الهيدروجين السائل.

تم تصميم الخزان وتصنيعه بسمك جدار اسمي يتراوح من 4.0 إلى 5.5 ملم، مما يسمح له بتحمل ضغط يصل إلى 85 بار. يزن الجسم المركب من ألياف الكربون 8 كيلوغرامات فقط، ومن المخطط تحسين الوزن بشكل أكبر. تستخدم شركة إن سي سي مواد التقوية المسبقة من ألياف الكربون الإيبوكسي MTC510 بعرض 300 مم. MTC510 هو نظام راتنجات إيبوكسي مصمم للمعالجة بين 80 درجة مئوية و120 درجة مئوية، كما أنه مقوى لتحسين تحمل الضرر. قدمت بينداتكس شريط التقوية المسبق، الذي تم شقه بدقة بعرض 6.35 ملم وتم إرجاعه على شكل 22000 متر من المواد للاستخدام في معدات وضع الألياف الآلية (وكالة فرانس برس) من شركة كوريوليس. تم استخدام جهاز كوريوليس وكالة فرانس برس لتغليف شريط التقوية المسبق مقاس 6.35 مم حول قالب قابل للغسل، مع التحكم في عملية اللف بواسطة برنامج متخصص لإدارة كل من اللف الحلزوني والطوقي. يمكن تعديل عملية اللف، التي تتكون من أكثر من 24 طبقة وسمك يصل إلى 5.5 مم، لتحسين الضغط أو متطلبات الحمل المحددة للخزان.

القالب الأساسي، بسماكة جدار 30 مم، تم صبه في جزأين ثم تم ربطهما معاً. تتضمن الأداة ثلاث حلقات تقوية داخلية قابلة للغسل مصممة لتحمل الأحمال الالتوائية المتوقعة أثناء وضع الطبقة المركبة تلقائيًا والضغط المطبق أثناء المعالجة بالأوتوكلاف. تم دمج منافذ صمام السوائل المعدنية في القالب الأساسي القابل للغسل، مما يلغي الحاجة إلى عمليات التجميع والربط الثانوية على المنتج النهائي. يتم ربط هذه المنافذ بمركب الكربون في المراحل اللاحقة من عملية التصنيع. بعد اللف، يتم فحص الخزان بحثًا عن العيوب واختلافات السُمك، ثم يتم معالجته في جهاز تعقيم عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، ثم يُعاد فحصه. تتم مقارنة الاختبار غير المدمر بعد العلاج (NDT) باستخدام المسح بالموجات فوق الصوتية والتصوير الحراري لتحديد أي عيوب مثل التصفيحات والمسامية. أخيرًا، يتم مسح القالب الأساسي الداخلي بالماء البارد المضغوط لضمان تنظيف تجويف الخزان.

لماذا نستخدم الهيدروجين السائل في الطائرات المدنية؟

تبلغ كثافة طاقة الهيدروجين 33.3 كيلو واط ساعة/كجم مقارنة بـ 12 كيلو واط ساعة/كجم من الكيروسين. تحت الضغط ودرجة الحرارة العاديين، تبلغ كثافة الهيدروجين 0.090 كجم/م3. عند ضغط 700 بار (700 ضعف الضغط الجوي العادي)، تبلغ كثافة الهيدروجين 42 كجم/م3، مما يسمح لخزان سعة 125 لترًا بتخزين 5 كجم من الهيدروجين. عند -252.87 درجة مئوية و1.013 بار، تكون كثافة الهيدروجين السائل قريبة من 71 كجم/م3، مما يتيح لخزان سعة 75 لترًا تخزين 5 كجم من الهيدروجين. يساعد تخزين الهيدروجين السائل في خزانات ذات درجة حرارة منخفضة على تقليل الحجم بشكل أكبر.

• 3000 لتر من الهيدروجين الغازي عند درجة الحرارة والضغط العاديين تعادل في الطاقة 1 لتر من كيروسين الطيران.

• 6 لترات من الهيدروجين الغازي عند 700 بار تعادل في الطاقة لترًا واحدًا من كيروسين الطيران.

• 4 لترات (1.05 جالون) من الهيدروجين السائل عند -252.87 درجة مئوية و1.013 بار توفر نفس الطاقة التي يوفرها لتر واحد من كيروسين الطيران.

ومن هذه البيانات يتضح أن تخزين الهيدروجين السائل (-252.87 درجة مئوية) يتطلب أصغر حجم لخزان التخزين. من الأسهل دمج أحجام الخزانات الأصغر ضمن الشكل الديناميكي الهوائي للطائرة.

القضايا الفنية الرئيسية لخزانات تخزين الهيدروجين السائل ذات درجة الحرارة المنخفضة (-252.87 درجة مئوية):

1. الحفاظ على الهيدروجين السائل في الخزان تحت -253 درجة مئوية:حاليًا، يتم استخدام هيكل معزول بالفراغ بين الخزانات الداخلية والخارجية. ويتكون الخزان الداخلي من مركبات الراتنج المعززة بألياف الكربون، بينما يحتوي الخزان الخارجي على طبقات متعددة من العزل الخاص.

2. تركيب وصيانة الأنظمة الداخلية في الخزان:التحدي المتمثل في تركيب وصيانة خطوط الأنابيب ومكونات النظام داخل الخزان في حالة استخدام عملية لف الألياف الحالية.

3. اختيار المواد للخزان ومكوناته الداخلية:تأثير بيئة درجة الحرارة المنخفضة (-252.87 درجة مئوية) على المواد المستخدمة للخزان ومكوناته الداخلية.

4. تقنيات اختبار درجات الحرارة المنخفضة وتقنيات إدارة نفايات الوقود.

5. تحمل عمليات الإقلاع والهبوط المتكررة:يجب أن يتحمل خزان الهيدروجين ما يقرب من 20000 عملية إقلاع وهبوط.

التأثير على هيكل الطائرة

خزانات الوقود الموجودة في هيكل جناح الطائرة هي تجاويف تستخدم لتخزين الوقود. يمكن لخزان الجناح A320 تخزين ما يقرب من 20 طنًا من كيروسين الطيران (على غرار بوينغ 737 وCOMAC C919). من خلال استبدال الكيروسين بالهيدروجين السائل، لا يمكن تركيب خزان هيدروجين سائل أسطواني بسعة 94 مترًا مكعبًا إلا في الجزء الخلفي من جسم الطائرة، مما يتطلب إطالة كبيرة لجسم الطائرة. الجزء الخلفي من الطائرة ذو شكل مخروطي ويبلغ أقصى قطر له أقل من 4 أمتار. إن مجرد تمديد جسم الطائرة لاستيعاب خزان سعة 94 مترًا مكعبًا هو أمر غير عملي؛ ولذلك، يجب أيضًا زيادة قطر جسم الطائرة.

في تصميم A320 الجديد، تم تركيب خزان دائري ومخروطي في الجزء الخلفي من جسم الطائرة. ومع ذلك، ما إذا كان سيتم زيادة قطر جسم الطائرة لا يزال غير واضح، على الرغم من أنه من المحتمل. كشفت المملكة المتحدة النقاب عن تصميم طائرة مدنية تعمل بالهيدروجين السائل، مع الطائرة الضيقة البدن "FZN-1E" لتحل محل طائرة A320 الحالية. يعمل هذا التصميم الجديد على توسيع جسم الطائرة بمقدار 10 أمتار، وزيادة القطر بمقدار متر واحد، ويحتوي على تصميم مقصورة ذات ممر مزدوج، وأجنحة مُعاد تصميمها،"الطائرات الأمامية"على الأنف، ومحركات مثبتة على الذيل.

تقدم

تأتي محركات الطائرات المدنية في نوعين: المحركات التوربينية والمحركات النفاثة. بالنسبة للطائرات ذات المحركات التوربينية، يولد الهيدروجين الكهرباء عبر خلايا الوقود لتشغيل المولدات التي تحرك المراوح. يتم تركيب هذا النوع من المحركات بشكل أساسي على الطائرات الإقليمية التي تحتوي على 10 إلى 70 مقعدًا وطائرات الطيران العامة الصغيرة. بدأت الأبحاث الأولية التي تعمل بوقود الهيدروجين مع هذه الأنواع من الطائرات. في 12 أبريل، حلقت طائرة ألمانية تعمل بالهيدروجين والكهرباء من طراز "هي-4" ذات 4 مقاعد بنجاح من شتوتغارت إلى فريدريشهافن. وفي وقت لاحق من هذا العام، قد نرى طائرات "دورنير" ذات 19 مقعدًا و"Q-400" و"أتر72-600" ذات 75 مقعدًا تعمل بالهيدروجين والكهرباء في السماء. في أبريل 1988، أجرى الاتحاد السوفييتي تجربة طيران معدلة لطائرة توبوليف 155 بمحرك نفاث هيدروجيني سائل. وبعد تفكك الاتحاد السوفييتي، لم تواصل روسيا هذا البحث.

حاليًا، هناك أربع شركات فقط على مستوى العالم تنتج وتطور طائرات مدنية تحتوي على أكثر من 100 مقعد: بوينغ، وإيرباص، وكوماك، وروسيا. وفقًا لتقرير صدر مؤخرًا عن وسائل إعلام أجنبية، فإن شركتي بوينغ وإيرباص فقط هي التي تجري أبحاثًا فعلية حول تطبيق الهيدروجين السائل على الطائرات المدنية. مشروع بوينغ، الذي تم تنفيذه منذ أكثر من عقد من الزمان على صغيرة"ديمونة"كانت الطائرة الشراعية المروحية أولية. وتتقدم شركة إيرباص، بعد أن بدأت اختبارات الطيران على ارتفاعات عالية للمحركات التوربينية المروحية التي تعمل بوقود الهيدروجين السائل. كما قدموا تصميمات أولية لثلاثة أنواع من الطائرات: الطائرات المروحية، والطائرات ذات الـ 150 مقعدًا، والطائرات ذات الجسم العريض. يتوفر المزيد من المعلومات حول الطائرة ذات الـ 150 مقعدًا، والتي من المقرر أن تحل محل طائرة A320 ذات الممر الواحد والتي تتسع لـ 150 مقعدًا والموجودة في السوق منذ ما يقرب من 40 عامًا. تخطط شركة إيرباص لإطلاق طائرة"ايه 320 الجديدة"بين عامي 2030 و2035. وستحتوي الطائرة الجديدة على"طيور القطرس"تكوين ديناميكي هوائي مع نسبة عرض إلى ارتفاع عالية جدًا، وأطراف أجنحة قابلة للطي، ولا توجد لوحات انسيابية. ستكون المواد المستخدمة عبارة عن مركبات راتنجات الإيبوكسي المقواة بألياف الكربون الحرارية للأجنحة ومركبات ألياف الكربون البلاستيكية الحرارية عالية الأداء لجسم الطائرة. ستستخدم هذه الطائرة الجديدة الهيدروجين السائل بدلاً من كيروسين الطيران، بهدف التصميم والتصنيع المتمثل في إنتاج 70-100 طائرة شهريًا. تتقدم شركة إيرباص بفارق كبير عن شركة بوينغ في تطوير الطائرات التي تعمل بوقود الهيدروجين السائل (لم يتم الإبلاغ عن أي معلومات حول استبدال بوينغ للطائرة 737 بالهيدروجين السائل).

ماذا نستطيع ان نفعل؟

إن استخدام الهيدروجين بدلاً من الوقود الأحفوري لا يعالج انبعاثات الكربون فحسب، بل له أيضًا أهمية استراتيجية بالنسبة للبلدان التي تفتقر إلى الموارد النفطية. وتعد الصين أكبر منتج للهيدروجين في العالم، حيث يبلغ إنتاجها السنوي حوالي 33 مليون طن. وتشارك العديد من الشركات في إنتاج الهيدروجين السائل، وتعد الصين ثاني أكبر منتج لألياف الكربون على مستوى العالم. وبالتالي، فإن تطوير وإنتاج صهاريج تخزين الهيدروجين المركب لها أساس مادي متين.

توضح صهاريج تخزين الهيدروجين السائل الفضائية والطيران المختلفة التي تمت مناقشتها في هذه المقالة أن صهاريج التخزين مصممة ومصنعة لتلبية الاحتياجات المحددة والمساحات الهيكلية لمختلف المنتجات. وفي الوقت الحالي، لا تزال العديد من المنتجات الصناعية تستخدم الوقود الأحفوري أو شبكة الكهرباء. يمكن أن يفكر هؤلاء في التحول إلى الطاقة الهيدروجينية. هناك مجموعة واسعة من المنتجات التي سيتم تطويرها في مجال تخزين الهيدروجين، والعديد من المهام تنتظرنا.

بعض البيانات الواردة في هذه المقالة، والتي تم الحصول عليها من الإنترنت، تم التحقق منها بشكل متكرر للتأكد من دقتها. يمكن استخدام هذه البيانات لتقدير أبعاد التصميم الأولي وسعة صهاريج تخزين الهيدروجين.