ศูนย์คอมโพสิตแห่งชาติของสหราชอาณาจักร (ป.ช) ได้พัฒนาถังสาธิตถังเก็บไฮโดรเจนเหลวในอวกาศที่มีความยาว 750 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 450 มม. และบรรจุไฮโดรเจนเหลวได้มากกว่า 96 ลิตร

ถังได้รับการออกแบบและผลิตโดยมีความหนาของผนังปกติ 4.0 ถึง 5.5 มม. ทำให้สามารถทนแรงดัน 85 บาร์ได้ ตัวถังทำจากคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเพียง 8 กิโลกรัม และมีการวางแผนน้ำหนักให้เหมาะสมยิ่งขึ้น ป.ช ใช้พรีเพกคาร์บอนไฟเบอร์อีพ็อกซี่ เอ็มทีซี510 กว้าง 300 มม. เอ็มทีซี510 เป็นระบบอีพอกซีเรซินที่ออกแบบมาเพื่อรักษาอุณหภูมิระหว่าง 80°C ถึง 120°C และได้รับการเสริมความแข็งแกร่งเพื่อเพิ่มความทนทานต่อความเสียหาย บินดาเท็กซ์ จัดหาเทปพรีเพก ซึ่งตัดอย่างแม่นยำให้มีความกว้าง 6.35 มม. และส่งคืนเป็นวัสดุยาว 22,000 เมตร สำหรับใช้ในอุปกรณ์วางเส้นใยอัตโนมัติ คอริออลิส (เอเอฟพี) อุปกรณ์ คอริออลิส เอเอฟพี ใช้เพื่อพันเทปพรีเพรกขนาด 6.35 มม. รอบแม่พิมพ์ที่ล้างทำความสะอาดได้ โดยมีกระบวนการพันที่ควบคุมโดยซอฟต์แวร์เฉพาะเพื่อจัดการทั้งการพันแบบเกลียวและแบบห่วง กระบวนการม้วนที่มีมากกว่า 24 ชั้นและความหนาสูงสุด 5.5 มม. สามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อปรับแรงดันหรือโหลดเฉพาะของถังให้เหมาะสมที่สุด

แม่พิมพ์แกนที่มีความหนาของผนัง 30 มม. ถูกหล่อเป็นสองส่วนแล้วจึงติดเข้าด้วยกัน เครื่องมือนี้ประกอบด้วยวงแหวนเสริมภายในที่ล้างทำความสะอาดได้ 3 วง ซึ่งออกแบบมาเพื่อทนต่อแรงบิดที่คาดหวังในระหว่างการวางชั้นคอมโพสิตอัตโนมัติและแรงกดที่ใช้ระหว่างการบ่มด้วยหม้อนึ่งความดัน พอร์ตวาล์วของเหลวโลหะถูกรวมเข้ากับแม่พิมพ์แกนกลางแบบล้างทำความสะอาดได้ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการประกอบขั้นที่สองและการประสานกับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย พอร์ตเหล่านี้จะถูกเชื่อมเข้ากับคาร์บอนคอมโพสิตในขั้นตอนหลังของกระบวนการผลิต หลังจากการพันถัง ถังจะถูกตรวจสอบเพื่อหาข้อบกพร่องและความแปรผันของความหนา บ่มในหม้อนึ่งความดันที่อุณหภูมิ 100°C และตรวจสอบอีกครั้ง การทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) หลังการรักษาโดยใช้การสแกน C-สแกน แบบอัลตราโซนิกและการถ่ายภาพด้วยความร้อนจะถูกเปรียบเทียบเพื่อระบุข้อบกพร่องใดๆ เช่น การแยกชั้นและความพรุน สุดท้าย แม่พิมพ์แกนภายในจะถูกล้างด้วยน้ำเย็นที่มีแรงดันเพื่อให้แน่ใจว่าช่องถังมีความใส

เหตุใดจึงต้องใช้ไฮโดรเจนเหลวในเครื่องบินพลเรือน

ไฮโดรเจนมีความหนาแน่นของพลังงานโดยน้ำหนักอยู่ที่ 33.3kWh/กิโลกรัม เทียบกับน้ำมันก๊าดที่มีความหนาแน่น 12kWh/กิโลกรัม ภายใต้ความดันและอุณหภูมิปกติ ไฮโดรเจนมีความหนาแน่น 0.090กก./ลบ.ม. ที่ 700 บาร์ (700 เท่าของความดันบรรยากาศปกติ) ความหนาแน่นของไฮโดรเจนคือ 42 กก./ลบ.ม. ทำให้ถังขนาด 125 ลิตรสามารถกักเก็บไฮโดรเจนได้ 5 กก. ที่อุณหภูมิ -252.87°C และ 1.013 บาร์ ไฮโดรเจนเหลวมีความหนาแน่นเกือบ 71 กก./ลบ.ม. ทำให้ถังขนาด 75 ลิตรสามารถเก็บไฮโดรเจนได้ 5 กก. การจัดเก็บไฮโดรเจนเหลวในถังอุณหภูมิต่ำจะช่วยลดปริมาตรได้อีก

• ก๊าซไฮโดรเจน 3,000 ลิตรที่อุณหภูมิและความดันปกติมีพลังงานเทียบเท่ากับน้ำมันก๊าดในเครื่องบิน 1 ลิตร

• ก๊าซไฮโดรเจน 6 ลิตรที่ 700 บาร์ เทียบเท่ากับพลังงาน 1 ลิตรของน้ำมันก๊าดในเครื่องบิน

• ไฮโดรเจนเหลว 4 ลิตร (1.05 แกลลอน) ที่อุณหภูมิ -252.87°C และ 1.013 บาร์ ให้พลังงานเท่ากับน้ำมันก๊าดสำหรับการบิน 1 ลิตร

จากข้อมูลเหล่านี้ เป็นที่ชัดเจนว่าการจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว (-252.87°C) ต้องใช้ปริมาตรถังเก็บที่เล็กที่สุด ปริมาตรถังที่เล็กลงจะทำให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับรูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบิน

ปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญของถังเก็บไฮโดรเจนเหลวที่อุณหภูมิต่ำ (-252.87°C):

1. การรักษาไฮโดรเจนเหลวของถังให้ต่ำกว่า -253°C:ปัจจุบันมีการใช้โครงสร้างฉนวนสุญญากาศระหว่างถังด้านในและด้านนอก ถังด้านในทำจากคอมโพสิตเรซินเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ ในขณะที่ถังด้านนอกมีฉนวนพิเศษหลายชั้น

2. การติดตั้งและบำรุงรักษาระบบภายในถัง:ความท้าทายในการติดตั้งและบำรุงรักษาท่อและส่วนประกอบของระบบภายในถังหากใช้กระบวนการม้วนเส้นใยในปัจจุบัน

3. การเลือกวัสดุสำหรับถังและส่วนประกอบภายใน:ผลกระทบของสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ (-252.87°C) ต่อวัสดุที่ใช้สำหรับแท็งก์และส่วนประกอบภายใน

4. เทคนิคการทดสอบอุณหภูมิต่ำและเทคโนโลยีการจัดการคราบน้ำมัน

5. การทนทานต่อการบินขึ้นและลงจอดบ่อยครั้ง:ถังไฮโดรเจนจะต้องทนต่อการบินขึ้นและลงได้ประมาณ 20,000 ครั้ง

ผลกระทบต่อโครงสร้างเครื่องบิน

ถังเชื้อเพลิงในโครงสร้างปีกเครื่องบินเป็นช่องที่ใช้กักเก็บน้ำมันเชื้อเพลิง รถถังปีก A320 สามารถเก็บน้ำมันก๊าดสำหรับการบินได้ประมาณ 20 ตัน (คล้ายกับโบอิ้ง 737 และ โคแม็ก C919) แทนที่น้ำมันก๊าดด้วยไฮโดรเจนเหลว ถังไฮโดรเจนเหลวทรงกระบอกขนาด 94 ลบ.ม. สามารถติดตั้งได้ที่ลำตัวด้านหลังเท่านั้น ซึ่งต้องทำให้ลำตัวยาวขึ้นมาก ลำตัวด้านหลังเป็นรูปกรวยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดน้อยกว่า 4 เมตร การขยายลำตัวให้รองรับถังขนาด 94 ลูกบาศก์เมตรก็ทำไม่ได้ ดังนั้นจึงต้องเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางลำตัวด้วย

ในการออกแบบเครื่องบิน A320 ใหม่ มีการติดตั้งถังทรงกลมและถังทรงกรวยไว้ที่ลำตัวด้านหลัง อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่าเส้นผ่านศูนย์กลางลำตัวจะเพิ่มขึ้นหรือไม่ แม้ว่าจะมีแนวโน้มก็ตาม สหราชอาณาจักรได้เปิดตัวการออกแบบเครื่องบินพลเรือนที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนเหลว โดยมีลำตัวแคบ “เอฟแซดเอ็น-1E” มาแทนที่เครื่องบิน A320 ในปัจจุบัน การออกแบบใหม่นี้ขยายลำตัวขึ้น 10 ม. เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางขึ้น 1 ม. มีโครงร่างห้องโดยสารแบบทางเดินคู่ ปีกที่ออกแบบใหม่ เพิ่ม"เครื่องบินหน้า"ที่จมูก และเครื่องยนต์ที่ติดตั้งอยู่ที่ส่วนท้าย

ความคืบหน้า

เครื่องยนต์อากาศยานพลเรือนมีอยู่ 2 ประเภท คือ เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป และเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท สำหรับเครื่องบินที่มีเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป ไฮโดรเจนจะผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านเซลล์เชื้อเพลิงไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนใบพัด เครื่องยนต์ประเภทนี้ส่วนใหญ่จะติดตั้งบนเครื่องบินระดับภูมิภาคขนาด 10 ถึง 70 ที่นั่ง และเครื่องบินการบินทั่วไปขนาดเล็ก การวิจัยเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเบื้องต้นเริ่มต้นด้วยเครื่องบินประเภทนี้ เมื่อวันที่ 12 เมษายน เครื่องบินไฟฟ้าไฮโดรเจน 4 ที่นั่ง "HY-4" ของเยอรมนีสามารถบินจากสตุ๊ตการ์ทไปยังฟรีดริชชาเฟินได้สำเร็จ ปลายปีนี้ เราอาจเห็นเครื่องบินไฟฟ้าไฮโดรเจน "ดอร์เนียร์" ขนาด 19 ที่นั่ง และ "Q-400" ขนาด 75 ที่นั่ง และ "เอทีอาร์72-600" อยู่บนท้องฟ้า ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2531 สหภาพโซเวียตได้ทำการทดสอบ ตู่-155 ที่ได้รับการดัดแปลงด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทไฮโดรเจนเหลว หลังจากการล่มสลายของสหภาพโซเวียต รัสเซียไม่ได้ดำเนินการวิจัยนี้ต่อไป

ปัจจุบัน มีเพียงสี่บริษัททั่วโลกที่ผลิตและพัฒนาเครื่องบินพลเรือนที่มีที่นั่งมากกว่า 100 ที่นั่ง ได้แก่ โบอิ้ง แอร์บัส โคแมค และรัสเซีย ตามรายงานของสื่อต่างประเทศล่าสุด มีเพียงโบอิ้งและแอร์บัสเท่านั้นที่ดำเนินการวิจัยการประยุกต์ใช้เครื่องบินพลเรือนไฮโดรเจนเหลวจริง โครงการของโบอิ้งซึ่งดำเนินการเมื่อกว่าทศวรรษที่แล้วในโครงการเล็กๆ"ไดโมน่า"เครื่องร่อนใบพัดเป็นเบื้องต้น แอร์บัสกำลังนำหน้า โดยได้เริ่มการทดสอบการบินในระดับความสูงของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว นอกจากนี้ ยังจัดให้มีการออกแบบเบื้องต้นสำหรับเครื่องบิน 3 ประเภท ได้แก่ เครื่องบินใบพัด เครื่องบินขนาด 150 ที่นั่ง และเครื่องบินลำตัวกว้าง ข้อมูลเพิ่มเติมมีให้สำหรับเครื่องบิน 150 ที่นั่ง ซึ่งถูกกำหนดให้มาแทนที่เครื่องบินทางเดินเดี่ยว A320 150 ที่นั่งที่วางตลาดมาเกือบ 40 ปี แอร์บัสมีแผนจะเปิดตัวเครื่องบิน"เอ320 ใหม่"ระหว่างปี พ.ศ. 2573 ถึง พ.ศ. 2578 เครื่องบินลำใหม่นี้จะมีคุณลักษณะ"อัลบาทรอส"โครงสร้างตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่มีอัตราส่วนภาพสูงเป็นพิเศษ ปลายปีกแบบพับได้ และไม่มีแฟริ่ง วัสดุที่ใช้จะเป็นคอมโพสิตอีพอกซีเรซินเสริมเทอร์โมเซตคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับปีก และคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกคาร์บอนไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับลำตัว เครื่องบินลำใหม่นี้จะใช้ไฮโดรเจนเหลวแทนน้ำมันก๊าดในการบิน โดยมีเป้าหมายด้านการออกแบบและการผลิตที่จะผลิตเครื่องบินได้ 70-100 ลำต่อเดือน แอร์บัสนำหน้าโบอิ้งในการพัฒนาเครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว (ไม่มีรายงานข้อมูลเกี่ยวกับโบอิ้งที่เปลี่ยนโบอิ้ง 737 ด้วยไฮโดรเจนเหลว)

พวกเราทำอะไรได้บ้าง?

การใช้ไฮโดรเจนแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลไม่เพียงแต่ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญเชิงกลยุทธ์สำหรับประเทศที่ขาดทรัพยากรน้ำมันอีกด้วย จีนเป็นผู้ผลิตไฮโดรเจนรายใหญ่ที่สุดของโลก โดยมีการผลิตประมาณ 33 ล้านตันต่อปี บริษัทหลายแห่งเกี่ยวข้องกับการผลิตไฮโดรเจนเหลว และจีนเป็นผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์รายใหญ่อันดับสองของโลก ดังนั้นการพัฒนาและผลิตถังเก็บไฮโดรเจนแบบคอมโพสิตจึงมีรากฐานที่เป็นวัสดุที่มั่นคง

ถังเก็บไฮโดรเจนเหลวสำหรับการบินและอวกาศและการบินต่างๆ ที่กล่าวถึงในบทความนี้แสดงให้เห็นว่าถังเก็บได้รับการออกแบบและผลิตขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะและพื้นที่โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ปัจจุบันผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมจำนวนมากยังคงใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือไฟฟ้าจากโครงข่าย สิ่งเหล่านี้สามารถพิจารณาเปลี่ยนมาใช้พลังงานไฮโดรเจนได้ มีผลิตภัณฑ์มากมายที่ต้องพัฒนาในด้านการจัดเก็บไฮโดรเจน และงานอีกมากมายรอเราอยู่

ข้อมูลบางส่วนในบทความนี้ที่มาจากอินเทอร์เน็ตได้รับการตรวจสอบความถูกต้องซ้ำแล้วซ้ำอีก ข้อมูลเหล่านี้สามารถใช้เพื่อประมาณขนาดการออกแบบเบื้องต้นและความจุของถังเก็บไฮโดรเจน