Группа исследователей из совместного инженерного колледжа Флоридского сельскохозяйственного и механического университета и Университета штата Флорида разработали инновационную систему хранения и доставки жидкого водорода, которая может стать основой для новых типов летательных аппаратов. Как они утверждают, разработка позволяет использовать водород не только как экологически чистое топливо, но и как охлаждающую среду для ключевых энергетических компонентов электрических самолетов.
В исследовании, опубликованном в журнале Applied Energy, описан проект для 100-местного гибридно-электрического самолета. Предлагаемая система одновременно решает три задачи: надежное хранение водорода при сверхнизкой температуре, его подачу в энергетические установки и охлаждение бортового оборудования.
Известно, что использование водорода требует много места и сверхнизкой температуры (около –253 °C). Чтобы решить эту задачу, команда ученых, в которую вошли специалисты в области криогеники, сверхпроводимости и энергетических систем, разработала усовершенствованные криогенные баки и провела всестороннюю оптимизацию системы. Одним из важных результатов этой работы стало создание нового критерия эффективности — так называемого гравиметрического индекса. Он показывает, какую часть от общей массы топливной системы составляет топливо, а какую — вспомогательные элементы: криогенный бак, теплоизоляция, трубопроводы, теплообменники и другие компоненты. В предложенной исследователями конфигурации этот показатель достиг значения 0,62, то есть 62% массы составил сам жидкий водород, что существенно превосходит показатели традиционных технологий.
Вместо того, чтобы устанавливать отдельную систему охлаждения, они предложили использовать сам жидкий водород: проходя через каскад теплообменников, он сначала охлаждает компоненты, работающие при сверхнизких температурах (такие как сверхпроводящие генераторы и кабели), а затем поглощает тепло от более теплых элементов, включая электродвигатели и силовую электронику.
Подача водорода внутри самолета стала одной из ключевых технических задач. Учитывая высокие риски, связанные с использованием насосов в криогенных условиях, исследователи отказались от них и разработали систему, в которой движение водорода обеспечивается за счет регулируемого давления в баке. Это давление автоматически настраивается: при необходимости его повышают, впуская газообразный водород, или понижают, стравливая пар. Такой подход позволяет точно контролировать расход топлива в зависимости от этапа полета. Согласно расчетам, система способна подавать до 0,25 килограмма водорода в секунду — этого достаточно для питания бортовых энергетических установок мощностью до 16,2 мегаватта, что особенно важно, например, во время взлета или при экстренном наборе высоты.
До недавнего времени оставалось неясным, можно ли эффективно объединить функции охлаждения и подачи топлива в одной системе. Исследование, проведенное специалистами из Флориды, не только подтвердило, что это технически возможно, но и показало, что при правильной оптимизации такая система может быть даже более эффективной, чем раздельные решения. На следующем этапе исследователи планируют создание опытного образца и его испытания в Центре передовых энергетических систем при Университете штата Флорида. Проект реализуется при поддержке NASA и входит в федеральную программу по развитию авиационных технологий с нулевым уровнем выбросов.
