Ученые представили новый материал для безопасного хранения водорода — экологически чистого топлива будущего.
Эта разработка позволяет устранить проблемы с взрывоопасностью и может открыть новые горизонты для «водородной авиации». В частности, новая технология может избавить от традиционных топливных баков в самолетах. Их функции смогут выполнять элементы конструкции — такие как детали крыла и фюзеляжа, которые смогут служить хранилищами для энергетически емкого вещества и фактически «пропитываться» водородом. Эксперты подчеркивают, что расчеты, выполненные учеными, требуют экспериментальной проверки, чтобы оценить, возможно ли применение данной разработки в реальных авиасистемах.
Где и как можно хранить топливный водород
Будущие самолеты могут обойтись без топливных баков — их функции полностью или частично возьмут на себя другие элементы конструкции. Такое решение было предложено учеными из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.
Исследователи создали новый материал для хранения водорода — перспективного экологически чистого топлива. Это вещество способно легко поглощать газ при его подаче, а при снижении давления или нагреве — высвобождать его обратно. Это открывает возможность использования элементов конструкции самолета, таких как крыло или фюзеляж, в качестве хранилища для топлива.
Справка «Известий»
Удельная теплота сгорания (энергетическая ценность) водорода почти в три раза превышает ту, что у авиакеросина. При этом в водородных топливных элементах продукт реакции — это вода, что делает углерод экологически чистой альтернативой традиционным источникам энергии. Однако внедрение таких технологий сдерживается высокой взрывоопасностью газа, а также сложностями, связанными с его хранением и транспортировкой.
— Мы предложили двумерный кристалл — карбид лития. Он представляет собой плоскую решетку (толщиной в один атом), где атомы углерода окружены атомами лития. Испытания показали, что молекулы водорода прилипают к кристаллу не слишком слабо, чтобы не улетучиться, и не слишком сильно, чтобы их можно было потом использовать как топливо, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории 2D-наноматериалов в электронике, фотонике и спинтронике НИЯУ МИФИ профессор Константин Катин.
По его словам, ключевое преимущество материала — малый вес. При этом 1 кг вещества может аккумулировать 60–80 г водорода. Для сравнения, баллоны высокого давления позволяют хранить около 40–50 г газа на 1 кг системы. Согласно оценкам экспертов, перспективными считаются материалы, в которых доля удерживаемого водорода превышает 5% от собственной массы.
— Материал функционирует как «липучка». У атомов лития имеются свободные орбитали, которые захватывают электроны от водорода. В результате возникает слабая электрическая связь. Преимущество системы в том, что водород выходит из «ловушки» при температуре, близкой к комнатной, — объяснил Константин Катин.
Расчеты продемонстрировали, что при давлении 10–20 атмосфер и обычной температуре карбид лития удерживает почти весь водород, но стоит лишь снизить давление — он высвобождает его. Эти параметры идеальны для хранения, поскольку не требуют дополнительного оборудования для поддержания необходимых условий. То есть, чтобы освободить водород, достаточно просто снизить давление и открыть «вентиль».
— В будущем этот материал может стать многообещающим для водородной авиации, где каждый килограмм имеет значение. Такому самолету не понадобятся ни тяжелые аккумуляторы, ни толстостенные стальные баллоны — достаточно легкого листа, который удерживает водород подобно губке, — сообщил разработчик.
При этом механические свойства материала пока ограничены, отметил ученый. Поэтому он вряд ли подойдет для силовых элементов конструкции, однако может использоваться, например, в качестве наполнителя сэндвич-панелей, применяемых в обшивке самолетов и космической техники.
Как технология сэкономит авиатопливо
Инженерам еще предстоит освоить синтез карбида лития в промышленных масштабах и интегрировать его в композиты, добавил Константин Катин. Но главное — теоретический барьер преодолен, и создание самолета, который будет возить топливо не в баках, а в элементах конструкции, стало технической задачей. Эти и подобные вопросы будут обсуждаться на Неделе космоса, которая пройдет 6–12 апреля.
— Твердотельное хранение водорода — одно из перспективных направлений. В отличие от баллонов высокого давления такие системы более безопасны и технологичны. Отсутствие подобных решений сдерживает развитие водородного транспорта, — рассказал «Известиям» заведующий лабораторией материалов и процессов водородной энергетики Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе, доцент кафедры физической химии Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Вадим Попков.
В авиации особенно важно, сколько энергии можно накопить на единицу массы системы — это актуально как для малых дронов, так и для крупных самолетов, отметил он. При этом имеют значение и другие параметры: скорость высвобождения водорода, температурные диапазоны работы, устойчивость материалов к вибрациям и нагрузкам. Поэтому расчетно-теоретические результаты требуют экспериментальной проверки, которая позволит оценить, насколько такие разработки могут быть реализованы в реальных авиационных системах.
— Предложенные системы могут выглядеть как криогенные емкости, с карбидом лития внутри в виде порошка или гранул. Их преимущества заключаются в меньшем весе. А это экономия топлива, увеличение дальности полета или полезной нагрузки, — поделилась старший научный сотрудник Института проблем сверхпластичности металлов РАН Карина Крылова.
Ученые продемонстрировали, что материал обладает самой высокой энергией поглощения водорода. Однако у него имеются ряд недостатков: например, энергия поглощения снижается при увеличении массовой доли усвоенного водорода, добавила она. Для решения этой проблемы можно создать на основе карбида лития пористые композитные материалы или легировать эти листы более тяжелыми металлами, но последнее увеличит массу носителя водорода, что усложнит применение системы.
Также могут возникнуть проблемы, связанные с высокой химической активностью материалов на основе лития и водорода. В частности, водород может вызывать охрупчивание металлов, отметил руководитель проектов лаборатории «Гибридные и электрические силовые установки» Передовой инженерной школы Московского авиационного института Александр Родыгин.
Кроме того, при использовании карбида лития в форме порошка во время его засыпки в емкости могут возникать риски деградации материала. Важными остаются и вопросы синтеза, хранения и транспортировки вещества, а также итоговая стоимость таких систем. Идея выглядит интересной, однако до практического внедрения ей пока далеко, резюмировал специалист.
Фото: hi-tech.mail.ru