Interested Article - Жидкий водород

Автоцистерны доставляют жидкий водород для пополнения хранилища в Космическом центре Кеннеди во Флориде. Стартовая площадка 39B, используемая для поддержки миссии Артемида-1 (31 августа 2022 года).

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH ₂ , LH2, LH ₂ ) — жидкое агрегатное состояние водорода , с низкой плотностью − 0,07 г / см³ , и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 ° C ) и точкой кипения 20,28 K (−252,87 °C ) . Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном 4—75 %. Спиновое составляет: 99,79 % — параводород ; 0,21 % — ортоводород . водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

Как и для любого другого газа , сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве криогенного ракетного топлива ).

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом , Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году , Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак , американский изобретатель первым разработал холодильный компрессор в 1805 году , первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году , Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году , Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона » и регенеративного охлаждения в 1876 году . В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K , критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K . Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара . Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен и в 1929 году .

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера , ортоводорода . После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов , как оксид железа , оксид хрома , активированный уголь , покрытых платиной асбестов , редкоземельных металлов или путём использования урановых или никелевых добавок .

Использование

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов . Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например или ). Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ («СПГ»). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо «СПГ» в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода , но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.

Препятствия

Один литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг . То есть его удельная плотность составляет 70,99 г / л при 20 K . Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду , но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день ). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом (« ») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определённые трудности при хранении.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространённым компонентом ракетного топлива , которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов . В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги . Используемые современные двигатели на компонентах H ₂ /O ₂ потребляют переобогащённую водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счёт уменьшения молекулярного веса это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания .

Такие препятствия использования жидкого водорода в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель (« Дельта-4 »), которая целиком является водородной ракетой. В основном жидкий водород используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамёрзшей формы жидкого водорода.

Водород с разными окислителями

Данные приводятся на основании таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных « JANAF » ( англ. J oint A rmy N avy A ir F orce , « Сборник ВМС и ВВС армии США »), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией « Рокетдайн ». При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве топлива, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшим молекулярным весом . Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания (« КС »), равного 68,05 атмосфер . Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода .

Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий:			поверхности Земли (1 атм )					вакуума (0 атм , расширение сопла 40:1)
Окислитель	Топливо	Комментарий	V _e	r	T _c	d	C*	V _e	r	T _c	d	C*
жO ₂	H ₂	распространено	3816	4.13	2740	0.29	2416	4462	4.83	2978	0.32	2386
	H ₂ - Be 49/51		4498	0.87	2558	0.23	2833	5295	0.91	2589	0.24	2850
	CH ₄ / H ₂ 92.6/7.4		3126	3.36	3245	0.71	1920	3719	3.63	3287	0.72	1897
F ₂	H ₂		4036	7.94	3689	0.46	2556	4697	9.74	3985	0.52	2530
	H ₂ - Li 65.2/34.0		4256	0.96	1830	0.19	2680
	H ₂ - Li 60.7/39.3							5050	1.08	1974	0.21	2656
OF ₂	H ₂		4014	5.92	3311	0.39	2542	4679	7.37	3587	0.44	2499
F ₂ / O ₂ 30/70	H ₂		3871	4.80	2954	0.32	2453	4520	5.70	3195	0.36	2417
O ₂	H ₂		3997	3.29	2576	-	2550	4485	3.92	2862	-	2519

В таблице использованы обозначения:	r	[-]	— массовое соотношение смеси « окислитель/топливо »;
	V _e	[ м / сек ]	— средняя скорость истечения газов;
	C*	[ м / сек ]	— характеристическая скорость ;
	T _c	[ °C ]	— температура в КС ;
	d	[ г / см ³ ]	— средняя плотность топлива и окислителя;

при этом « V _e » является той же единицей, что и удельный импульс , но приведена к размерности скорости [ Н * сек / кг ], а « C* » вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что дает приращение скорости на единицу массы.

Опасность

Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание жидкого водорода на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку лёгких.

См. также

Примечания

(en)
(en)
Уильям Каллен, «О производстве холода, произведенного при испарении жидкостей и некоторые другие способы получения холода», в «Essays and Observations Physical and Literary Read Before a Society in Edinburgh and Published by Them, II», (Эдинбург, 1756) (en)
(en)
(en)
(en)
16 декабря 2008 года. (en)
8 августа 2008 года. (en)
, Hardcover: 1951 pp , Publisher: American Institute of Physics ; 4th edition ( 1 августа 1998 ), Language: English , ISBN 1-56396-831-2 , ISBN 978-1-56396-831-0
, Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International