Где и как можно хранить топливный водород

Самолеты будущего могут лишиться топливных баков — их функцию полностью или частично возьмут на себя другие элементы конструкции. Такое решение предложили ученые из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.

Исследователи разработали новый материал для хранения водорода — перспективного экологически чистого топлива. Вещество способно легко поглощать газ при его подаче, а при снижении давления или нагреве — высвобождать его обратно. Это открывает возможность использовать элементы конструкции самолета, например крыло или фюзеляж, в качестве хранилища топлива.

— 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, главное преимущество материала — малый вес. При этом 1 кг вещества способен аккумулировать 60–80 г водорода. Для сравнения, баллоны высокого давления позволяют хранить около 40–50 г газа на 1 кг системы. Согласно экспертным оценкам, перспективными считаются материалы, в которых доля удерживаемого водорода превышает 5% от собственной массы.

— Материал работает как «липучка». У атомов лития есть свободные орбитали, которые принимают электроны от водорода. В результате возникает слабая электрическая связь. Достоинство системы в том, что водород выходит из «ловушки» при температуре, близкой к комнатной, — объяснил Константин Катин.

Расчеты показали, что при давлении 10–20 атмосфер и обычной температуре карбид лития удерживает почти весь водород, но стоит снизить давление — отпускает. Такие параметры идеальны для хранения, поскольку не требуют дополнительного оборудования для поддержания нужных условий. То есть, чтобы водород освободился, нужно просто снизить давление, открыть «вентиль».

— В будущем материал может стать перспективным для водородной авиации, где каждый килограмм на счету. 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 научиться синтезировать карбид лития в промышленных масштабах и встраивать его в композиты, добавил Константин Катин. Но главное — теоретический барьер преодолен, и создание самолета, который возит топливо не в баках, а элементах конструкции, стало технической задачей. Эти и подобные вопросы будут обсуждать на Недели 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 значение имеют 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 — 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 показали, что материал обладает самой высокой энергией поглощения водорода. Однако у него есть ряд недостатков: например, энергия поглощения падает при росте массовой доли усвоенного водорода, добавила она. Для решения проблемы можно создать на основе карбида лития пористые композитные материалы, либо легировать эти листы более тяжелыми металлами, но последнее увеличит массу носителя водорода, что затруднит применение системы.

Также проблемы могут быть связаны с высокой химической активностью материалов на основе лития и водорода. В частности, водород способен 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.

Справка «Известий»
Удельная теплота сгорания (энергетическая ценность) водорода — почти в три раза выше, чем 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 сдерживают высокая взрывоопасность газа, а также сложности, связанные с его хранением и транспортировкой.