UK National Composites Centre (NCC) har utvecklat en demonstrator för lagringstank för flytande väte som är 750 mm lång, 450 mm i diameter och rymmer över 96 liter flytande väte.

Tanken är designad och tillverkad med en nominell väggtjocklek på 4,0 till 5,5 mm, vilket gör att den tål ett tryck på 85 bar. Kolfiberkompositkroppen väger endast 8 kilo, och ytterligare viktoptimering är planerad. NCC använder 300 mm bred MTC510 epoxi kolfiber prepreg. MTC510 är ett epoxihartssystem designat för att härda mellan 80°C och 120°C och är härdat för att förbättra skadetoleransen. BINDATEX tillhandahöll prepreg-tejpen, som skars exakt till 6,35 mm bredd och returnerades som 22 000 meter material för användning i Coriolis automatiserad fiberplaceringsutrustning (AFP). Coriolis AFP-enheten användes för att linda den 6,35 mm prepreg-tejpen runt en tvättbar form, med lindningsprocessen styrd av specialiserad programvara för att hantera både spiral- och ringlindning. Lindningsprocessen, med över 24 lager och en tjocklek på upp till 5,5 mm, kan justeras för att optimera tankens specifika tryck- eller belastningskrav.

Kärnformen, med en väggtjocklek på 30 mm, göts i två delar och limmades sedan samman. Verktyget inkluderar tre tvättbara inre förstärkningsringar utformade för att motstå de förväntade vridbelastningarna under automatisk placering av kompositskikt och det tryck som appliceras under autoklavhärdning. Metallvätskeventilportar är integrerade i den tvättbara kärnformen, vilket eliminerar behovet av sekundär montering och limning av slutprodukten. Dessa portar är bundna med kolkompositen i de senare stadierna av tillverkningsprocessen. Efter lindning inspekteras tanken för defekter och tjockleksvariationer, härdas i en autoklav vid 100°C och inspekteras på nytt. Efterhärdande icke-förstörande testning (NDT) med ultraljuds C-scan och termografi jämförs för att identifiera eventuella defekter som delamineringar och porositeter. Slutligen spolas den inre kärnformen med kallt vatten under tryck för att säkerställa att tankhålet är rent.

Varför använda flytande väte i civila flygplan?

Vätgas har en energitäthet på 33,3 kWh/kg jämfört med fotogenens 12 kWh/kg. Under normalt tryck och temperatur har väte en densitet på 0,090 kg/m³. Vid 700 bar (700 gånger normalt atmosfärstryck) är vätets densitet 42 kg/m³, vilket gör att en 125 liters tank kan lagra 5 kg väte. Vid -252,87°C och 1,013 bar har flytande väte en densitet nära 71kg/m³, vilket gör att en 75L tank kan lagra 5kg väte. Att lagra flytande väte i lågtemperaturtankar bidrar till att ytterligare minska volymen.

• 3000 liter gasformigt väte vid normal temperatur och tryck motsvarar energimässigt 1 liter flygfotogen.

• 6 liter gasformigt väte vid 700 bar motsvarar energimässigt 1 liter flygfotogen.

• 4 liter (1,05 gallon) flytande väte vid -252,87°C och 1,013 bar ger samma energi som 1 liter flygfotogen.

Från dessa data är det tydligt att lagring av flytande väte (-252,87°C) kräver den minsta lagringstankens volym. Mindre tankvolymer är lättare att integrera i ett flygplans aerodynamiska form.

Nyckeltekniska frågor för lagringstankar för flytande väte med låg temperatur (-252,87°C):

1. Att underhålla tankens flytande väte under -253°C:För närvarande används en vakuumisolerad struktur mellan de inre och yttre tankarna. Den inre tanken är gjord av kolfiberförstärkt hartskomposit, medan den yttre tanken innehåller flera lager av specialisolering.

2. Installation och underhåll av interna system i tanken:Utmaningen att installera och underhålla rörledningar och systemkomponenter inuti tanken om man använder den nuvarande fiberlindningsprocessen.

3. Materialval för tanken och dess inre komponenter:Inverkan av lågtemperaturmiljön (-252,87°C) på materialen som används för tanken och dess interna komponenter.

4. Testtekniker för låga temperaturer och teknik för hantering av bränsleslosh.

5. Uthålliga frekventa starter och landningar:Vätgastanken ska klara cirka 20 000 starter och landningar.

Inverkan på flygplanets struktur

Bränsletankarna i ett flygplans vingstruktur är hålrum som används för att lagra bränsle. En A320 vingtank kan lagra cirka 20 ton flygfotogen (liknande för Boeing 737 och COMAC C919). Genom att ersätta fotogen med flytande väte kunde en 94 m³ cylindrisk tank för flytande väte endast installeras i den bakre flygkroppen, vilket kräver en betydande förlängning av flygkroppen. Den bakre flygkroppen har en konisk form med en maximal diameter på mindre än 4m. Att bara förlänga flygkroppen för att rymma en 94m³ tank är opraktiskt; därför måste även flygkroppens diameter ökas.

I den nya A320-designen är en rund och en konisk tank installerad i den bakre flygkroppen. Huruvida flygkroppens diameter kommer att ökas är dock fortfarande oklart, även om det är troligt. Storbritannien har avslöjat en flytande vätedriven civil flygplansdesign, med den smala kroppen "FZN-1E" för att ersätta den nuvarande A320. Den här nya designen förlänger flygkroppen med 10 m, ökar diametern med 1 m, har en kabinlayout med dubbla gångar, omdesignade vingar, tillagd"förplan"på nosen, och motorer monterade på stjärten.

Framsteg

Civila flygplansmotorer finns i två typer: turbopropmotorer och turbojetmotorer. För flygplan med turbopropmotorer genererar väte elektricitet via bränsleceller till kraftgeneratorer som driver propellrarna. Denna typ av motor är huvudsakligen installerad på regionalflygplan med 10 till 70 säten och små allmänflygplan. Initial vätgasdrivna forskning började med dessa flygplanstyper. Den 12 april flög ett tyskt 4-sitsigt "HY-4" väteelektriskt plan framgångsrikt från Stuttgart till Friedrichshafen. Senare i år kan vi se 19-sitsiga "Dornier" och 75-sitsiga "Q-400" och "ATR72-600" väteelektriska plan på himlen. I april 1988 provflög Sovjetunionen en modifierad Tu-155 med en turbojetmotor med flytande väte. Efter Sovjetunionens upplösning fortsatte Ryssland inte denna forskning.

För närvarande producerar och utvecklar endast fyra företag globalt civila flygplan med över 100 säten: Boeing, Airbus, COMAC och Ryssland. Enligt en nyligen publicerad rapport i utländsk media är det bara Boeing och Airbus som bedriver faktisk applikationsforskning för civila flygplan med flytande väte. Boeings projekt, som genomfördes för över ett decennium sedan på en liten"Dimona"propellerglidare, var preliminär. Airbus ligger före, efter att ha påbörjat flygtester på hög höjd av turbofläktmotorer som drivs med flytande väte. De har också tillhandahållit preliminära konstruktioner för tre typer av flygplan: propellerflygplan, 150-sätesflygplan och bredkroppsflygplan. Mer information finns tillgänglig för flygplanet med 150 säten, som är tänkt att ersätta A320 med enkelgång och 150 säten som har funnits på marknaden i nästan 40 år. Airbus planerar att lansera en"ny A320"mellan 2030 och 2035. Det nya flygplanet kommer att ha en"albatross"aerodynamisk konfiguration med ultrahögt bildförhållande, vikning, flaxande vingspetsar och inga kåpor. Materialen som används kommer att vara värmehärdande kolfiberförstärkta epoxihartskompositer för vingarna och högpresterande termoplastiska kolfiberkompositer för flygkroppen. Detta nya flygplan kommer att använda flytande väte istället för flygfotogen, med ett design- och tillverkningsmål att producera 70-100 flygplan per månad. Airbus ligger långt före Boeing när det gäller att utveckla flygplan som drivs med flytande väte (ingen information om att Boeing ersätter 737:an med flytande väte har rapporterats).

Vad kan vi göra?

Att använda väte istället för fossila bränslen tar inte bara upp koldioxidutsläpp utan har också strategisk betydelse för länder som saknar oljeresurser. Kina är världens största väteproducent med en årlig produktion på cirka 33 miljoner ton. Flera företag är involverade i produktion av flytande väte, och Kina är den näst största tillverkaren av kolfiber globalt. Utveckling och tillverkning av kompositvätgaslagringstankar har således en solid materialbas.

De olika lagringstankar för flytande väte för flyg och flyg som diskuteras i den här artikeln visar att lagringstankar är designade och tillverkade för att möta de specifika behoven och strukturella utrymmena för olika produkter. För närvarande använder många industriprodukter fortfarande fossila bränslen eller elnät. Dessa kan överväga att byta till vätgaskraft. Det finns ett stort utbud av produkter som ska utvecklas inom vätgaslagringsområdet, och många uppgifter väntar på oss.

Vissa uppgifter i den här artikeln, hämtade från internet, har verifierats upprepade gånger för att se till att de är riktiga. Dessa data kan användas för att uppskatta de ursprungliga dimensionerna och kapaciteten för vätgaslagringstankar.