Die Rolle effizienter Wasserstofftanksysteme bei der Revolutionierung einer nachhaltigen Luftfahrt

Um den Wärmeeinfluss durch die Wasserstofftanks zu minimieren, sind spezielle Materialien, dickere Wände und eine ordnungsgemäße Isolierung erforderlich.

Kürzlich hat Simple Flying die Bedeutung von Wasserstoff als Alternative zu Kerosin in Verkehrsflugzeugen hervorgehoben. Simple Flying untersuchte auch die Herausforderungen, die mit der Speicherung und Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle verbunden sind. Obwohl es schwierig ist zu bestimmen, ob die Vorteile von Wasserstoff die Herausforderungen überwiegen, wurden technische Untersuchungen durchgeführt, um einzigartige Lösungen für die Wasserstoffspeicherung zu finden.

Wasserstofftreibstoff kann aufgrund seiner höheren Energiedichte (dreimal) als Kerosin ein idealer Kandidat für Kurz- bis Mittelstreckenflugzeuge sein. Wasserstoff stößt bei der Erzeugung aus erneuerbarer Energie kein Kohlendioxid und keine Stickoxide aus.

Herkömmliche Gasturbinentriebwerke können so modifiziert werden, dass sie flüssigen Wasserstoff (LH2) als Brennstoff für die Verbrennung verwenden. Unter Druck stehende Luft aus dem Hochdruckkompressor kann vor der Zündung in der Brennkammer mit zerstäubtem flüssigem Wasserstoff gemischt werden.

Eine der größten Herausforderungen von LH2 ist seine volumetrische Dichte. Wasserstoff ist deutlich leichter als Kerosin und benötigt im Flugzeug viermal mehr Speichervolumen als Kerosin. Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff an Bord stellt für Flugzeughersteller eine Herausforderung dar.

Kryozylinder sind erforderlich, um LH2 zu speichern und dabei das Volumen auf ein Minimum zu beschränken. Kryotanks speichern Wasserstoff bei Tiefkühltemperaturen (ca. -250 °C).

Das erforderliche Gewicht von Wasserstoff beträgt möglicherweise nur etwa ein Drittel des Kerosins, aber der Bedarf an einem viel höheren Volumen erhöht das Strukturgewicht des Flugzeugs. Daher ist ein effizientes Speichertanksystem erforderlich, um Wasserstoffnachhaltigkeit in der Luftfahrt zu erreichen. Es ist bemerkenswert, dass Wasserstoffflaschen im Gegensatz zu Düsentreibstoff einen zu großen Durchmesser haben können, um in Flugzeugflügel zu passen.

Darüber hinaus wird der Schwerpunkt des Flugzeugs durch den in den Flügeltanks gespeicherten Treibstoff während des gesamten Flugs effizient gesteuert. Der Schwerpunkt kann bei der Verwendung von LH2-Tanks eine weitere Herausforderung darstellen.

Die Lagertanks müssen aus speziellen Materialien hergestellt werden, um extremen Temperaturen standzuhalten. Darüber hinaus müssen die Tanks dicke Wände haben und eine ausreichende Isolierung zwischen den Stapeln bieten, um den Wärmeeinfluss durch die Tankwände zu minimieren. Die austretende Wärme kann dazu führen, dass das LH2 kocht und die Umgebungswärme absorbiert, die erforderlich ist, um das LH2 auf Tiefkühltemperaturen zu halten. Hersteller von Kryotanks sind bestrebt, den Boil-Off-Wert unter 1 % pro Tag zu halten.

Die Form der Tanks muss möglichst einer Kugel ähneln, um konstruktive Verluste zu minimieren. Eine Kugel legt pro gehaltener Masse an LH2 die geringste Oberfläche frei. Um den Schwerpunkt aufrechtzuerhalten, müssen gleichgroße LH2-Tanks so platziert werden, dass sie das Nick- oder Kippmoment des Flugzeugs nicht beeinflussen.

Stapel von Kugeltanks können im vorderen Teil des Flugzeugs (direkt hinter dem Cockpit auf dem Unterdeck) und im hinteren Teil (direkt vor dem Höhenleitwerk) platziert werden. Eine Vakuumkolbentechnik mit zusätzlicher Isolierung an der Oberseite sorgt dafür, dass das Verdampfen von LH2 minimiert wird. Verliert der Tank das Vakuum, dämmen Isolationsschichten den Wärmeeintrag innerhalb des Systems ein.

Der Tank kann eine Mischung aus LH2 und Wasserstoffgas (H2) enthalten. Der H2-Druck wird über das Regelventil gesteuert, während Pumpen und Ventile das LH2 zum Verbrennungssystem leiten. Erwähnenswert ist, dass das LH2 vor der Verwendung im Turbinensystem in einem Wärmetauscher in die gasförmige Form umgewandelt werden muss.

Was denken Sie über das Design des Wasserstofftanksystems an Bord wasserstoffbetriebener Flugzeuge? Teilen Sie es uns im Kommentarbereich mit.

Autor – Omar ist ein Luftfahrt-Enthusiast und hat einen Doktortitel. in Luft- und Raumfahrttechnik. Omar verfügt über zahlreiche Jahre Erfahrung in Technik und Forschung und möchte sich auf forschungsbasierte Luftfahrtpraktiken konzentrieren. Neben der Arbeit liebt Omar das Reisen, den Besuch von Luftfahrtstandorten und das Beobachten von Flugzeugen. Sitz in Vancouver, Kanada