Hydro trong chương trình không gian của NASA và hàng không dân dụng

Hydro đã được ca ngợi là nhiên liệu của tương lai - và không chỉ dành cho ngành vũ trụ và hàng không. Nó có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm cao.

Vẫn còn nhiều trở ngại cần vượt qua trên con đường hướng tới một tương lai do hydro thúc đẩy, trong số đó, lưu trữ, vận chuyển và sự gia tăng đáng kể cần thiết trong sản xuất hydro xanh. Tuy nhiên, khi nói đến quá trình đốt cháy, công nghệ này đã được thử nghiệm và kiểm tra phần nào.

Lịch sử đốt cháy hydro

Động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới, được chế tạo vào năm 1804 bởi nhà phát minh người Pháp gốc Thụy Sĩ, Isaac de Rivaz, sử dụng sự kết hợp hydro và oxy. Đại học Tokyo đã phát triển động cơ đốt trong hydro từ năm 1970 và có những chiếc xe buýt chạy bằng công nghệ này. Nó thậm chí đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay.

Ứng dụng không gian của pin hydro và nhiên liệu

Trong nhiều thập kỷ, NASA đã dựa vào khí hydro làm nhiên liệu tên lửa để đưa phi hành đoàn và hàng hóa lên vũ trụ. Với Centaur, Apollo và các phương tiện tàu con thoi, NASA đã phát triển kinh nghiệm sâu rộng trong việc xử lý hydro an toàn và hiệu quả. Ví dụ, các động cơ tên lửa của mỗi chuyến bay con thoi đốt cháy khoảng 500.000 ga-lông hydro lỏng (~1,9 triệu lít) với 239.000 ga-lông khác (900.000 lít).

Các chuyên gia tại Trung tâm nghiên cứu Glenn, Trung tâm vũ trụ Kennedy, Trung tâm chuyến bay vũ trụ Marshall, Trung tâm vũ trụ Stennis và Cơ sở thử nghiệm White Sands thành thạo với việc vận chuyển, lưu trữ, thiết kế hệ thống, đào tạo, tiêu chuẩn an toàn, phân tích mối nguy, thử nghiệm, trình diễn phương tiện, chuyển giao công nghệ và tiếp cận cộng đồng.

Bể chứa hydro tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Cùng với bình chứa ôxy lỏng, hai bình được thiết kế để chứa nhiên liệu đẩy siêu lạnh. Chúng đã được tân trang lại để hỗ trợ tên lửa Hệ thống Phóng Không gian của NASA và các phương tiện phóng khác.

Với sự tập trung gần đây vào các sứ mệnh của con người lên mặt trăng và cuối cùng là sao Hỏa, hydro sẽ tiếp tục được lưu trữ, đo lường, xử lý và sử dụng một cách sáng tạo. Ngoài việc sử dụng làm nhiên liệu đẩy tên lửa, hydro có thể được lấy từ nước hoặc đất địa phương để cung cấp nhiên liệu cho giao thông vận tải, năng lượng điện và oxy thở cho thành viên phi hành đoàn. Trải nghiệm với năng lượng pin nhiên liệu và hỗ trợ sự sống của trạm vũ trụ quốc tế - các hệ thống cung cấp thêm cơ sở cho hoạt động khám phá trong tương lai. Trên trạm vũ trụ, nước được tách thành oxy để thở và hydro. Trong tương lai, hydro sẽ được tái kết hợp với carbon dioxide thở ra để đổi mới nước. Tạo và tái chế hydro trong không gian sẽ giảm chi phí và độ phức tạp của các nhiệm vụ từ xa bằng cách giảm nhu cầu cung cấp từ Trái đất.

NASA cũng đang theo đuổi nhiều nguồn năng lượng thay thế khác nhau cho các phương tiện hàng không vũ trụ. Một trong những lựa chọn thay thế đó là pin nhiên liệu. Để đạt được hiệu suất được cải thiện, NASA đang xây dựng dựa trên nhiều thập kỷ thành công với Gemini, Apollo và tàu con thoi - trong hoạt động và phát triển hệ thống năng lượng pin nhiên liệu kiềm. Cơ quan này cũng đã theo đuổi các loại pin nhiên liệu khác, chẳng hạn như khí mê-tan, không khí kim loại và hydro peroxide.

Trong những năm gần đây, Bộ Năng lượng (DOE) và ngành công nghiệp tư nhân đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEM) sử dụng hydro và không khí làm nhiên liệu và chất oxy hóa cho các ứng dụng vận chuyển trên mặt đất. Ngoài ra, DOE và các ngành công nghiệp năng lượng mặt đất đang làm việc với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) mới để phát điện trên mặt đất. NASA đang xây dựng dựa trên các phát triển PEM và SOFC này để cải tiến đáng kể các công nghệ pin nhiên liệu, cung cấp nguồn năng lượng tái tạo năng lượng cao, nhỏ gọn và đáng tin cậy cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Với sự hỗ trợ của ngành công nghiệp và các trường đại học, NASA đang giải quyết các thách thức về hàng không vũ trụ bao gồm giảm trọng lực, áp suất khí quyển thấp hoặc không có áp suất khí quyển, nhiệt độ khắc nghiệt, rung động, tải va đập và thời gian hoạt động kéo dài. Đối với các ứng dụng không gian không có không khí, trọng tâm là công nghệ PEM có thể tái tạo theo chu kỳ kín. Các hệ thống không gian được nhắm mục tiêu có công suất đầu ra từ 1 đến 10 kilowatt hệ thống (cuối cùng có thể mở rộng lên tới 100 kilowatt), kích thước nhỏ gọn (250 đến 350 watt mỗi kg) và độ tin cậy cao cho thời gian sử dụng lâu dài (10.000 giờ). Với mức đầu tư và hợp tác phù hợp, NASA dự định cách mạng hóa việc sản xuất năng lượng trong không gian vũ trụ để kích hoạt các khả năng mới. Các chuyên gia tại Glenn, Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, Trung tâm Vũ trụ Johnson và Kennedy đang dẫn đầu về pin nhiên liệu.

Động cơ máy bay chạy hydro

Động cơ phản lực Airbuszeroehydrogen

Năm 1988, Tupolev Tu-155 bay lên bầu trời với tư cách là máy bay thương mại thử nghiệm đầu tiên trên thế giới hoạt động bằng hydro lỏng. Nó đã thực hiện khoảng 100 chuyến bay thử nghiệm chạy bằng khí hydro và sau đó là khí tự nhiên hóa lỏng cho đến khi Liên Xô sụp đổ vào năm 1991. Giờ đây, các nhà sản xuất máy bay và động cơ đang cố gắng tái tạo nhiệm vụ này.

Tu-155 chạy bằng hydro lỏng vào năm 1988

Khác với hydro-điện

Động cơ đốt trong hydro khác với pin nhiên liệu hydro. Pin nhiên liệu tạo ra điện từ hydro và sau đó sử dụng điện đó trong một động cơ điện, giống như một chiếc xe điện. Trong khi đó, với động cơ đốt trong, hydro được sử dụng giống như xăng hay nhiên liệu máy bay. Hydro ở dạng lỏng hoặc khí được đốt cháy trong động cơ tua-bin khí để tạo ra lực đẩy.

Đốt cháy là một quá trình hóa học trong đó năng lượng được giải phóng từ hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Những người ủng hộ hydro nói rằng phạm vi dễ bắt lửa rộng và nhiệt độ đánh lửa tự động cao khiến nó đặc biệt thích hợp cho quá trình đốt cháy. Trước hết có nghĩa là nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn tạo ra ít chất gây ô nhiễm hơn và sau đó có nghĩa là mức tiêu thụ năng lượng ít hơn.

CFM sẽ cung cấp động cơ hydro cho máy bay thử nghiệm A380

Mới đây, Airbus thông báo rằng họ đã ký một thỏa thuận với CFM International, một công ty chung 50/50 giữa GE và Safran Aircraft Engines. Hai đối tác sẽ hợp tác trong một chương trình trình diễn hydro sử dụng một chiếc A380 tập trung vào quá trình đốt trong. CFM sẽ sửa đổi bộ đốt, hệ thống nhiên liệu và hệ thống điều khiển của động cơ phản lực GE Passport để chạy bằng hydro.

Nền tảng thử nghiệm chuyến bay A380 cho người trình diễn ZEROe

Kết quả từ các chuyến bay thử nghiệm sẽ cho biết hướng thử nghiệm hydro của A380. Ảnh: Airbus

Động cơ thử nghiệm sẽ được gắn ở phía sau thân máy bay để có thể đo các chỉ số về những thứ như khí thải và vệt khói mà không có sự can thiệp từ các động cơ khác cung cấp năng lượng cho máy bay, vốn sẽ chạy bằng nhiên liệu máy bay thông thường.

Chương trình được thực hiện như một bước chuẩn bị cho nhiệm vụ của Airbus là đưa máy bay không khí thải ra thị trường vào năm 2035. Gaël Méheust, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành của CFM, cho biết trong một tuyên bố công bố quan hệ đối tác.

Rolls-Royce thử nghiệm thành công động cơ phản lực hydrogen

Vào cuối năm ngoái 2022, Rolls-Royce của Anh (RR.L) cho biết họ đã chạy thành công một động cơ máy bay chạy bằng hydro, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc chứng minh hydro có thể là chìa khóa để khử cacbon cho du lịch hàng không.

Cuộc thử nghiệm trên mặt đất, sử dụng động cơ máy bay khu vực Rolls-Royce AE 2100-A đã được chuyển đổi, sử dụng hydro xanh được tạo ra bởi năng lượng gió và thủy triều, công ty Anh cho biết hôm thứ Hai.

Rolls và đối tác chương trình thử nghiệm easyJet (EZJ.L) đang tìm cách chứng minh rằng hydro có thể cung cấp năng lượng một cách an toàn và hiệu quả cho các động cơ hàng không dân dụng.

Họ cho biết họ đã lên kế hoạch cho loạt thử nghiệm thứ hai, với tham vọng dài hạn hơn là thực hiện các chuyến bay thử nghiệm.

Hydrogen là một trong số các công nghệ cạnh tranh có thể giúp ngành hàng không đạt được mục tiêu trở thành net - zero carbon vào năm 2050.

Nhà sản xuất máy bay Airbus đang hợp tác với Pháp - Mỹ nhà sản xuất động cơ CFM International để thử nghiệm công nghệ động cơ đẩy hydro. Công ty cũng cho biết đã lên kế hoạch lắp một phiên bản động cơ thế hệ hiện tại được điều chỉnh đặc biệt ở gần phía sau của một chiếc máy bay thử nghiệm siêu lớn A380.

Tuy nhiên, nhà sản xuất máy bay đã nói với Liên minh châu Âu vào năm 2021 rằng hầu hết các máy bay chở khách sẽ dựa vào động cơ phản lực truyền thống cho đến ít nhất là năm 2050. Việc chuyển sang động cơ chạy bằng hydro sẽ yêu cầu thiết kế lại hoàn toàn khung máy bay và cơ sở hạ tầng tại các sân bay. Những thay đổi trong thiết kế là rất lớn, cần hơn một thế hệ máy bay mới đạt được điều đó.

Các công nghệ khác được hỗ trợ bởi các công ty như Rolls-Royce bao gồm động cơ điện, ban đầu sẽ phù hợp cho các chuyến bay ngắn và nhiên liệu hàng không bền vững (SAF). Động cơ được đưa vào sử dụng có thể sử dụng hỗn hợp nhiên liệu SAF và nhiên liệu thông thường, nhưng nó hiện chỉ được sản xuất ở mức rất nhỏ.

Cuối cùng, nó có thể được tạo ra bằng cách kết hợp carbon thu được từ không khí với hydro xanh, nhưng quá trình này tốn nhiều năng lượng và chưa sẵn có trên quy mô lớn.