صنعت هوانوردی تقریباً ۲ درصد از انتشار دی‌اکسید کربن جهانی را به خود اختصاص می‌دهد و اثرات اقلیمی این صنعت رو به افزایش است. با پیشرفت به سوی پرواز پایدار، هیدروژن به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده ظاهر شده است. هیدروژن در مقایسه با سوخت جت، انرژی بیشتری به ازای هر کیلوگرم دارد و هیچ دی‌اکسید کربنی منتشر نمی‌کند. اما تا به امروز، ذخیره‌سازی و استفاده ایمن از آن در هواپیماها چالش‌های بزرگی را به همراه داشته است.
اکنون محققان دانشکده مهندسی FAMU-FSU یک سیستم ذخیره‌سازی و تحویل هیدروژن مایع طراحی کرده‌اند که چندین مانع را به طور همزمان برطرف می‌کند. کار آن‌ها می‌تواند به تحقق پرواز بدون آلایندگی و با سوخت هیدروژن کمک کند.
وی گئو، استاد دپارتمان مهندسی مکانیک و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت:
این طراحی، پایه و اساس سیستم‌های هوانوردی هیدروژنی در دنیای واقعی را بنا می‌نهد!
یک سیستم، سه راه حل
این سیستم برای یک هواپیمای مفهومی هیبریدی-الکتریکی ۱۰۰ نفره توسعه داده شده است. این هواپیما از هر دو سلول سوختی هیدروژنی و ژنراتورهای اَبَررسانای توربینی نیرو می‌گیرد. به جای ساخت سیستم‌های جداگانه برای ذخیره‌سازی سوخت، خنک‌سازی و تحویل، این تیم یک تنظیمات یکپارچه ایجاد کرد تا هر سه مورد را مدیریت کند.
گئو گفت:
هدف ما ایجاد یک سیستم واحد بود که چندین وظیفه حیاتی را انجام دهد: ذخیره‌سازی سوخت، خنک‌سازی و کنترل تحویل.
برای داشتن کارایی فضایی، هیدروژن باید به صورت مایع فوق سرد در دمای ۲۵۳- درجه سانتیگراد ذخیره شود. این تیم به جای تمرکز صرف بر طراحی مخزن، کل سیستم را بهینه کرد. آن‌ها یک شاخص گرانشی جدید معرفی کردند؛ نسبت هیدروژن قابل استفاده به کل جرم سیستم
با تنظیم فشار خروجی، ابعاد مبدل حرارتی و سایر متغیرها، به شاخص گرانشی ۰.۶۲ دست یافتند. این بدان معناست که ۶۲ درصد از وزن سیستم، سوخت هیدروژن قابل استفاده است که بهبود چشمگیری نسبت به تنظیمات مرسوم دارد.
خنک‌سازی بدون وزن اضافی
سیستم‌های اَبَررسانا در هواپیماهای الکتریکی باید سرد بمانند. این تیم به جای نصب یک سیستم خنک‌کننده جداگانه، از خود هیدروژن مایع برای حذف گرما از قطعات حیاتی استفاده کرد. هنگامی‌که هیدروژن از طریق مبدل‌های حرارتی جریان می‌یابد، گرمای تلف‌شده از ژنراتورها، موتورها، کابل‌ها و قطعات الکترونیکی را جذب می‌کند. این رویکرد مرحله‌ای، کارایی را افزایش می‌دهد. همچنین هیدروژن را قبل از رسیدن به سلول‌های سوختی و توربین‌ها به دمای ایده‌آل می‌رساند.
گئو گفت:
ما نه تنها نشان دادیم که این کار امکان‌پذیر است، بلکه نشان دادیم که برای این نوع طراحی، بهینه‌سازی در سطح سیستم ضروری است.
بدون پمپ، بدون مشکل
انتقال هیدروژن فوق سرد در سراسر هواپیما خطرات بیشتری را به همراه دارد. پمپ‌های مکانیکی ممکن است از کار بیفتند، وزن اضافه کنند و گرما تولید کنند. برای جلوگیری از این مشکلات، این تیم یک سیستم بدون پمپ طراحی کرد. این سیستم از فشار مخزن برای تنظیم جریان هیدروژن استفاده می‌کند.
فشار از طریق تزریق گاز یا تخلیه، با هدایت حسگرهایی که به تقاضای برق هواپیما پاسخ می‌دهند، مدیریت می‌شود. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که این سیستم می‌تواند تا ۰.۲۵ کیلوگرم هیدروژن در ثانیه تحویل دهد که برای تأمین تقاضای ۱۶.۲ مگاواتی در هنگام برخاستن یا شرایط اضطراری کافی است.
گام‌های بعدی: ساخت و آزمایش
این تیم قصد دارد از شبیه‌سازی به سخت‌افزار برود و یک نمونه اولیه در مرکز سیستم‌های قدرت پیشرفته FSU ساخته و آزمایش خواهد شد. این پروژه بخشی از برنامه هوانوردی یکپارچه با آلایندگی صفر ناسا است.
همکارانی از موسسه فناوری جورجیا، موسسه فناوری ایلینوی، دانشگاه تنسی و دانشگاه بوفالو در این پروژه مشارکت دارند.
یافته‌های این تیم به‌تازگی در مجله Applied Energy منتشر شده است.
منبع: Interestingengineering
