O Centro Nacional de Compostos do Reino Unido (NCC) desenvolveu um demonstrador de tanque espacial de armazenamento de hidrogênio líquido com 750 mm de comprimento, 450 mm de diâmetro e capacidade para mais de 96 litros de hidrogênio líquido.

O tanque é projetado e fabricado com espessura nominal de parede de 4,0 a 5,5 mm, permitindo suportar uma pressão de 85 bar. A carroceria composta de fibra de carbono pesa apenas 8 kg e está planejada uma otimização adicional do peso. NCC usa pré-impregnado de fibra de carbono epóxi MTC510 com 300 mm de largura. MTC510 é um sistema de resina epóxi projetado para curar entre 80°C e 120°C e é temperado para melhorar a tolerância a danos. A BINDATEX forneceu a fita pré-impregnada, que foi cortada com precisão em 6,35 mm de largura e devolvida como 22.000 metros de material para uso no equipamento de colocação automatizada de fibras (AFP) Coriolis. O dispositivo Coriolis AFP foi usado para enrolar a fita pré-impregnada de 6,35 mm em torno de um molde lavável, com o processo de enrolamento controlado por software especializado para gerenciar tanto o enrolamento helicoidal quanto o enrolamento circular. O processo de enrolamento, com mais de 24 camadas e espessura de até 5,5 mm, pode ser ajustado para otimizar a pressão específica do tanque ou os requisitos de carga.

O molde do núcleo, com espessura de parede de 30 mm, foi fundido em duas partes e depois colado. A ferramenta inclui três anéis de reforço internos laváveis ​​projetados para suportar as cargas de torção esperadas durante a colocação automática da camada composta e a pressão aplicada durante a cura em autoclave. As portas da válvula de fluido metálico são integradas ao molde do núcleo lavável, eliminando a necessidade de montagem secundária e operações de colagem no produto final. Essas portas são ligadas ao compósito de carbono nas fases posteriores do processo de fabricação. Após o enrolamento, o tanque é inspecionado quanto a defeitos e variações de espessura, curado em autoclave a 100°C e reinspecionado. Testes não destrutivos (NDT) pós-cura usando ultrassom C-scan e termografia são comparados para identificar quaisquer defeitos como delaminação e porosidade. Finalmente, o molde do núcleo interno é lavado com água fria pressurizada para garantir que a cavidade do tanque esteja limpa.

Por que usar hidrogênio líquido em aeronaves civis?

O hidrogênio tem uma densidade energética ponderal de 33,3 kWh/kg em comparação com 12 kWh/kg do querosene. Sob pressão e temperatura normais, o hidrogênio tem densidade de 0,090kg/m³. A 700 bar (700 vezes a pressão atmosférica normal), a densidade do hidrogénio é de 42kg/m³, permitindo que um tanque de 125L armazene 5kg de hidrogénio. A -252,87°C e 1,013 bar, o hidrogênio líquido tem densidade próxima a 71kg/m³, permitindo que um tanque de 75L armazene 5kg de hidrogênio. Armazenar hidrogênio líquido em tanques de baixa temperatura ajuda a reduzir ainda mais o volume.

• 3.000 litros de hidrogênio gasoso em temperatura e pressão normais equivalem em energia a 1 litro de querosene de aviação.

• 6 litros de hidrogênio gasoso a 700 bar equivalem em energia a 1 litro de querosene de aviação.

• 4 litros (1,05 galões) de hidrogênio líquido a -252,87°C e 1,013 bar fornecem a mesma energia que 1 litro de querosene de aviação.

A partir destes dados, fica claro que o armazenamento de hidrogénio líquido (-252,87°C) requer o menor volume do tanque de armazenamento. Volumes de tanques menores são mais fáceis de integrar na forma aerodinâmica de uma aeronave.

Principais questões técnicas de tanques de armazenamento de hidrogênio líquido de baixa temperatura (-252,87°C):

1. Manter o hidrogênio líquido do tanque abaixo de -253°C:Atualmente, uma estrutura isolada a vácuo é utilizada entre os tanques interno e externo. O tanque interno é feito de resina composta reforçada com fibra de carbono, enquanto o tanque externo contém múltiplas camadas de isolamento especial.

2. Instalação e Manutenção de Sistemas Internos no Tanque:O desafio de instalar e manter tubulações e componentes do sistema dentro do tanque se for utilizado o atual processo de enrolamento de fibra.

3. Seleção de materiais para o tanque e seus componentes internos:O impacto do ambiente de baixa temperatura (-252,87°C) nos materiais utilizados no tanque e em seus componentes internos.

4. Técnicas de teste de baixa temperatura e tecnologias de gerenciamento de respingos de combustível.

5. Decolagens e pousos frequentes e duradouros:O tanque de hidrogênio deve suportar aproximadamente 20 mil decolagens e pousos.

Impacto na Estrutura da Aeronave

Os tanques de combustível na estrutura da asa de uma aeronave são cavidades usadas para armazenar combustível. Um tanque de asa A320 pode armazenar aproximadamente 20 toneladas de querosene de aviação (semelhante ao Boeing 737 e COMAC C919). Substituindo o querosene pelo hidrogênio líquido, um tanque cilíndrico de hidrogênio líquido de 94m³ só poderia ser instalado na fuselagem traseira, exigindo um alongamento significativo da fuselagem. A fuselagem traseira tem formato cônico com diâmetro máximo inferior a 4m. Simplesmente estender a fuselagem para acomodar um tanque de 94m³ é impraticável; portanto, o diâmetro da fuselagem também deve ser aumentado.

No novo design do A320, um tanque redondo e um cônico são instalados na fuselagem traseira. No entanto, ainda não está claro se o diâmetro da fuselagem será aumentado, embora seja provável. O Reino Unido revelou um projeto de aeronave civil movida a hidrogênio líquido, com o corpo estreito “FZN-1E” para substituir o atual A320. Este novo design estende a fuselagem em 10m, aumenta o diâmetro em 1m, tem cabine de corredor duplo, asas redesenhadas, adição de"aviões dianteiros"no nariz e motores montados na cauda.

Progresso

Os motores de aeronaves civis vêm em dois tipos: motores turboélice e motores turbojato. Para aeronaves com motores turboélice, o hidrogênio gera eletricidade por meio de células de combustível para alimentar os geradores que acionam as hélices. Este tipo de motor é instalado principalmente em aeronaves regionais com 10 a 70 assentos e pequenas aeronaves da aviação geral. A pesquisa inicial movida a hidrogênio começou com esses tipos de aeronaves. Em 12 de abril, um avião alemão elétrico a hidrogênio “HY-4” de 4 lugares voou com sucesso de Stuttgart para Friedrichshafen. Ainda este ano, poderemos ver aviões “Dornier” de 19 lugares e “Q-400” e “ATR72-600” de 75 lugares no céu. Em abril de 1988, a União Soviética testou um Tu-155 modificado com motor turbojato de hidrogênio líquido. Após a dissolução da União Soviética, a Rússia não deu continuidade a esta investigação.

Atualmente, apenas quatro empresas produzem e desenvolvem globalmente aeronaves civis com mais de 100 assentos: Boeing, Airbus, COMAC e Rússia. De acordo com um relatório recente da mídia estrangeira, apenas a Boeing e a Airbus estão conduzindo pesquisas reais sobre aplicações de hidrogênio líquido em aeronaves civis. O projeto da Boeing, realizado há mais de uma década em um pequeno"Dimona"planador de hélice, era preliminar. A Airbus está à frente, tendo iniciado testes de voo em alta altitude de motores turbofan movidos a hidrogênio líquido. Eles também forneceram projetos preliminares para três tipos de aeronaves: aeronaves a hélice, aeronaves de 150 assentos e aeronaves de fuselagem larga. Mais informações estão disponíveis para a aeronave de 150 assentos, que substituirá o A320 de corredor único e 150 assentos, que está no mercado há quase 40 anos. Airbus planeja lançar um"novo A320"entre 2030 e 2035. A nova aeronave contará com um"albatroz"configuração aerodinâmica com proporção de aspecto ultra-alta, dobramento, pontas das asas oscilantes e sem abas de carenagem. Os materiais utilizados serão compósitos de resina epóxi reforçados com fibra de carbono termofixa para as asas e compósitos de fibra de carbono termoplástica de alto desempenho para a fuselagem. Esta nova aeronave utilizará hidrogênio líquido em vez de querosene de aviação, com a meta de projeto e fabricação de produzir de 70 a 100 aeronaves por mês. A Airbus está muito à frente da Boeing no desenvolvimento de aeronaves movidas a hidrogênio líquido (nenhuma informação sobre a Boeing substituir o 737 por hidrogênio líquido foi relatada).

O que podemos fazer?

A utilização de hidrogénio em vez de combustíveis fósseis não só aborda as emissões de carbono, mas também tem importância estratégica para os países que carecem de recursos petrolíferos. A China é o maior produtor mundial de hidrogénio, com uma produção anual de cerca de 33 milhões de toneladas. Várias empresas estão envolvidas na produção de hidrogénio líquido e a China é o segundo maior produtor mundial de fibra de carbono. Assim, o desenvolvimento e a produção de tanques compostos de armazenamento de hidrogênio têm uma base material sólida.

Os diferentes tanques de armazenamento de hidrogênio líquido aeroespacial e de aviação discutidos neste artigo demonstram que os tanques de armazenamento são projetados e fabricados para atender às necessidades específicas e aos espaços estruturais de diversos produtos. Atualmente, muitos produtos industriais ainda utilizam combustíveis fósseis ou eletricidade da rede. Estes podem considerar a mudança para a energia do hidrogênio. Há uma vasta gama de produtos a serem desenvolvidos na área de armazenamento de hidrogênio e muitas tarefas nos aguardam.

Alguns dados neste artigo, provenientes da Internet, foram repetidamente verificados quanto à precisão. Esses dados podem ser usados ​​para estimar as dimensões iniciais do projeto e a capacidade dos tanques de armazenamento de hidrogênio.