Das britische National Composites Centre (NCC) hat einen Demonstrator für einen Weltraum-Speichertank für flüssigen Wasserstoff entwickelt, der 750 mm lang und 450 mm im Durchmesser ist und über 96 Liter flüssigen Wasserstoff fasst.

Der Tank wurde mit einer nominalen Wandstärke von 4,0 bis 5,5 mm konstruiert und hergestellt, sodass er einem Druck von 85 Bar standhält. Der Körper aus Kohlefaserverbundstoff wiegt nur 8 Kilogramm, und eine weitere Gewichtsoptimierung ist geplant. NCC verwendet 300 mm breites MTC510-Epoxid-Kohlefaser-Prepreg. MTC510 ist ein Epoxidharzsystem, das für eine Aushärtung zwischen 80 °C und 120 °C ausgelegt ist und zur Verbesserung der Schadenstoleranz gehärtet wurde. BINDATEX lieferte das Prepreg-Band, das präzise auf 6,35 mm Breite geschnitten und als 22.000 Meter Material für den Einsatz in Coriolis-Geräten zur automatischen Faserplatzierung (AFP) zurückgeschickt wurde. Das Coriolis AFP-Gerät wurde verwendet, um das 6,35 mm breite Prepreg-Band um eine waschbare Form zu wickeln, wobei der Wickelprozess durch eine spezielle Software gesteuert wurde, die sowohl die Spiral- als auch die Ringwicklung steuerte. Der Wickelprozess mit über 24 Lagen und einer Dicke von bis zu 5,5 mm kann optimal an den jeweiligen Druck- oder Lastbedarf des Tanks angepasst werden.

Die Kernform mit einer Wandstärke von 30 mm wurde in zwei Teilen gegossen und dann zusammengeklebt. Das Werkzeug enthält drei waschbare innere Verstärkungsringe, die den erwarteten Torsionsbelastungen während der automatischen Platzierung der Verbundschicht und dem während der Autoklavhärtung ausgeübten Druck standhalten sollen. In die waschbare Kernform sind metallische Flüssigkeitsventilanschlüsse integriert, wodurch sekundäre Montage- und Klebevorgänge am Endprodukt entfallen. Diese Anschlüsse werden in den späteren Phasen des Herstellungsprozesses mit dem Kohlenstoffverbundstoff verbunden. Nach dem Wickeln wird der Tank auf Defekte und Dickenabweichungen untersucht, in einem Autoklaven bei 100 °C ausgehärtet und erneut untersucht. Nach der Aushärtung werden zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) mit Ultraschall-C-Scan und Thermografie verglichen, um etwaige Defekte wie Delaminationen und Porositäten zu identifizieren. Schließlich wird die innere Kernform mit kaltem Druckwasser gespült, um sicherzustellen, dass der Tankhohlraum frei ist.

Warum sollte in Zivilflugzeugen flüssiger Wasserstoff verwendet werden?

Wasserstoff hat eine Gewichtsenergiedichte von 33,3 kWh/kg im Vergleich zu 12 kWh/kg bei Kerosin. Unter normalem Druck und normaler Temperatur hat Wasserstoff eine Dichte von 0,090 kg/m³. Bei 700 bar (700-facher normaler atmosphärischer Druck) beträgt die Dichte von Wasserstoff 42 kg/m³, sodass ein 125-Liter-Tank 5 kg Wasserstoff speichern kann. Bei -252,87 °C und 1,013 bar hat flüssiger Wasserstoff eine Dichte von fast 71 kg/m³, sodass ein 75-Liter-Tank 5 kg Wasserstoff speichern kann. Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in Niedertemperaturtanks trägt zu einer weiteren Volumenreduzierung bei.

• 3000 Liter gasförmiger Wasserstoff entsprechen bei normaler Temperatur und normalem Druck energiemäßig einem Liter Flugkerosin.

• 6 Liter gasförmiger Wasserstoff bei 700 bar entsprechen energiemäßig 1 Liter Flugkerosin.

• 4 Liter (1,05 Gallonen) flüssiger Wasserstoff bei -252,87 °C und 1,013 bar liefern die gleiche Energie wie 1 Liter Flugkerosin.

Aus diesen Daten geht hervor, dass für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff (-252,87 °C) das geringste Tankvolumen erforderlich ist. Kleinere Tankvolumina lassen sich leichter in die aerodynamische Form eines Flugzeugs integrieren.

Wichtige technische Aspekte von Niedertemperatur-Speichertanks (-252,87 °C) für flüssigen Wasserstoff:

1. Aufrechterhaltung der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs im Tank unter -253 °C:Derzeit wird zwischen Innen- und Außentank eine vakuumisolierte Struktur verwendet. Der Innentank besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Harzverbundstoff, während der Außentank mehrere Schichten spezieller Isolierung enthält.

2. Installieren und Warten interner Systeme im Tank:Die Herausforderung bei der Installation und Wartung von Rohrleitungen und Systemkomponenten im Tankinneren bei Verwendung des aktuellen Faserwickelverfahrens.

3. Materialauswahl für den Tank und seine Innenkomponenten:Der Einfluss der niedrigen Umgebungstemperatur (-252,87 °C) auf die für den Tank und seine internen Komponenten verwendeten Materialien.

4. Niedertemperatur-Testtechniken und Technologien zur Kraftstoffschwappkontrolle.

5. Häufige Starts und Landungen aushalten:Der Wasserstofftank muss rund 20.000 Starts und Landungen überstehen.

Auswirkungen auf die Flugzeugstruktur

Die Treibstofftanks in der Flügelstruktur eines Flugzeugs sind Hohlräume, die zur Speicherung von Treibstoff dienen. Ein A320-Flügeltank kann etwa 20 Tonnen Flugkerosin speichern (ähnlich wie bei Boeing 737 und COMAC C919). Wenn Kerosin durch flüssigen Wasserstoff ersetzt würde, könnte ein zylindrischer Flüssigwasserstofftank mit 94 m³ nur im hinteren Rumpfbereich installiert werden, was eine erhebliche Verlängerung des Rumpfes erforderlich machen würde. Der hintere Rumpfbereich hat eine konische Form mit einem maximalen Durchmesser von weniger als 4 m. Eine einfache Verlängerung des Rumpfes zur Aufnahme eines 94 m³ großen Tanks ist unpraktisch; daher muss auch der Rumpfdurchmesser vergrößert werden.

Im neuen A320-Design sind im hinteren Rumpfbereich ein runder und ein konischer Tank eingebaut. Ob der Rumpfdurchmesser vergrößert wird, ist jedoch noch unklar, aber wahrscheinlich. Großbritannien hat mit dem Schmalrumpf „FZN-1E“ ein ziviles Flugzeugdesign mit Flüssigwasserstoffantrieb vorgestellt, das den aktuellen A320 ersetzen soll. Dieses neue Design verlängert den Rumpf um 10 m, vergrößert den Durchmesser um 1 m, verfügt über eine Kabinenanordnung mit zwei Gängen, neu gestaltete Flügel, hinzugefügt"Vorflugzeuge"an der Nase und die Motoren am Heck montiert.

Fortschritt

Es gibt zwei Arten von Triebwerken für zivile Flugzeuge: Turboprop-Triebwerke und Turbojet-Triebwerke. Bei Flugzeugen mit Turboprop-Triebwerken erzeugt Wasserstoff über Brennstoffzellen Strom für die Generatoren, die die Propeller antreiben. Dieser Motortyp wird hauptsächlich in Regionalflugzeugen mit 10 bis 70 Sitzen und kleinen Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt eingebaut. Die ersten Forschungen zur Nutzung von Wasserstoff begannen mit diesen Flugzeugtypen. Am 12. April flog ein deutsches viersitziges wasserstoffbetriebenes Flugzeug vom Typ „HY-4“ erfolgreich von Stuttgart nach Friedrichshafen. Später in diesem Jahr werden wir vielleicht 19-sitzige „Dornier“-Flugzeuge sowie 75-sitzige wasserstoffbetriebene Flugzeuge vom Typ „Q-400“ und „ATR72-600“ am Himmel sehen. Im April 1988 testete die Sowjetunion eine modifizierte Tu-155 mit einem Flüssigwasserstoff-Turbojet-Triebwerk. Nach dem Zerfall der Sowjetunion setzte Russland diese Forschungen nicht fort.

Derzeit produzieren und entwickeln weltweit nur vier Unternehmen Zivilflugzeuge mit über 100 Sitzen: Boeing, Airbus, COMAC und Russland. Einem aktuellen ausländischen Medienbericht zufolge betreiben nur Boeing und Airbus tatsächliche Anwendungsforschung für Flüssigwasserstoff in Zivilflugzeugen. Boeings Projekt, das vor über einem Jahrzehnt auf einem kleinen"Dimona"Propellersegler, war vorläufig. Airbus hat die Nase vorn und hat mit Höhenflugtests von Turbofan-Triebwerken begonnen, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden. Sie haben auch vorläufige Entwürfe für drei Flugzeugtypen vorgelegt: Propellerflugzeuge, 150-Sitzer und Großraumflugzeuge. Weitere Informationen sind für das 150-Sitzer-Flugzeug verfügbar, das den A320 mit 150 Sitzen und einem Schmalrumpf ersetzen soll, der seit fast 40 Jahren auf dem Markt ist. Airbus plant, ein"neuer A320"zwischen 2030 und 2035. Das neue Flugzeug wird über eine"Albatros"aerodynamische Konfiguration mit ultrahohem Seitenverhältnis, klappbaren, flatternden Flügelspitzen und ohne Verkleidungsklappen. Die verwendeten Materialien sind duroplastische, kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharzverbundstoffe für die Flügel und hochleistungsfähige thermoplastische Kohlefaserverbundstoffe für den Rumpf. Dieses neue Flugzeug wird flüssigen Wasserstoff anstelle von Kerosin verwenden, wobei das Konstruktions- und Fertigungsziel darin besteht, 70-100 Flugzeuge pro Monat zu produzieren. Airbus ist Boeing bei der Entwicklung von Flugzeugen mit flüssigem Wasserstoffantrieb weit voraus (es liegen keine Informationen darüber vor, dass Boeing die 737 durch flüssigen Wasserstoff ersetzt).

Was können wir tun?

Die Verwendung von Wasserstoff anstelle fossiler Brennstoffe verringert nicht nur die Kohlenstoffemissionen, sondern ist auch für Länder ohne Ölressourcen von strategischer Bedeutung. China ist mit einer jährlichen Produktion von etwa 33 Millionen Tonnen der weltweit größte Wasserstoffproduzent. Mehrere Unternehmen sind an der Produktion von flüssigem Wasserstoff beteiligt, und China ist der zweitgrößte Produzent von Kohlefasern weltweit. Die Entwicklung und Produktion von Verbundtanks für die Speicherung von Wasserstoff basiert daher auf soliden Materialien.

Die verschiedenen in diesem Artikel besprochenen Flüssigwasserstoff-Speichertanks für die Luft- und Raumfahrt zeigen, dass Speichertanks so konzipiert und hergestellt werden, dass sie den spezifischen Anforderungen und Bauräumen verschiedener Produkte entsprechen. Derzeit verwenden viele Industrieprodukte noch fossile Brennstoffe oder Netzstrom. Diese könnten eine Umstellung auf Wasserstoffenergie in Betracht ziehen. Im Bereich der Wasserstoffspeicherung muss eine große Produktpalette entwickelt werden, und es warten viele Aufgaben auf uns.

Einige Daten in diesem Artikel stammen aus dem Internet und wurden wiederholt auf ihre Richtigkeit überprüft. Diese Daten können verwendet werden, um die anfänglichen Konstruktionsabmessungen und die Kapazität von Wasserstoffspeichertanks abzuschätzen.