0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Водород как топливо для ракетных двигателей

Водород как топливо для ракетных двигателей

Водород практически не встречается в природе в чистой форме, поэтому первая проблема, которая стоит перед одним из видов топлива будущего — получение.

Вопреки распространенному стереотипу электролиз (химический процесс, возникающий при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита и приводящий к выделению на электродах его составляющих веществ) не единственный метод производства водорода, хотя именно его предлагают применять в бытовых электролитерах.

Об использовании водорода на службе автомобиля и начальную информацию о методах получения водорода читайте далее.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

  1. Электролиз, данная методика наиболее простая и может быть реализована в домашних условиях. Через водный раствор, содержащий соль, пропускается постоянный электрический ток, под его воздействием происходит реакция, которую можно описать следующим уравнением: 2NaCl + 2H2O→2NaOH + Cl2 + H2↑. В данном случае пример приведен для раствора обычной кухонной соли, что не лучший вариант, поскольку выделяющийся хлор является ядовитым веществом. Заметим, что полученный данным способом водород наиболее чистый (порядка 99,9%).
  2. Путем пропускания водяного пара над каменноугольным коксом, нагретым до температуры 1000°С, при таких условиях протекает следующая реакция: Н2О + С ⇔ СО↑ + H2↑.
  3. Добыча из метана путем конверсии с водяным паром (необходимое условие для реакции – температура 1000°С): СН4 + Н2О ⇔ СО + 3Н2. Второй вариант – окисление метана: 2СН4 + О2 ⇔ 2СО + 4Н2.
  4. В процессе крекинга (переработки нефти) водород выделяется в качестве побочного продукта. Заметим, что в нашей стране все еще практикуется сжигание этого вещества на некоторых нефтеперерабатывающих заводах ввиду отсутствия необходимого оборудования или достаточного спроса.

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

Пример электролиза на растворе хлорида натрия

«Грязный» водород

Чтобы получить водород, воду надо расщепить на водород и кислород. Чтобы это сделать, требуется затратить энергию. А чтобы ее затратить, необходимо сперва ее добыть. И тут возникает дилемма. Чтобы водородное топливо без каких-либо оговорок можно было назвать экологичным, на его добычу надо затрачивать такую же экологичную энергию. Ведь если сжигать уголь для того, чтобы получить «зеленое» топливо, то в глазах общественности такое достижение уже не будет столь прорывным.

С 1975 года производство водорода для промышленных потребителей выросло в 3 раза. Почти весь этот водород вырабатывается из ископаемого топлива. На его производство идет 6% потребляемого природного газа в мире и еще 2% мирового угля. Таким образом, производство водорода приводит к выбросам углекислого газа в размерах, сравнимых с выбросами Великобритании и Индонезии вместе взятых. Статистика не из приятных.

Промышленности водород нужен не в качестве источника энергии, а как составляющая при производстве аммиака и очиститель сырой нефти от серы. Химическую и нефтяную промышленность мало интересует, каким образом был произведен водород, поступающий на завод. А вот адептов экологичной энергетики это волновать должно. Именно поэтому мощности по производству водорода для топливных ячеек транспорта планируют обеспечивать с помощью расположенных рядом ветроэнергетических установок.

Читать еще:  Двигатель газ сапунит что делать

Традиционная промышленность извлекает водород по большей части из ископаемого топлива и биомассы. Основной источник на сегодня — это природный газ. На его долю приходится три четверти годового глобального производства водорода (70 млн тонн). Небольшая часть производится за счет угля, нефти и электричества.

Однако интерес к производству водорода через электролиз воды растет за счет снижения затрат на возобновляемую электроэнергию. Правда, процесс это небыстрый, природный газ и уголь до сих пор остаются наиболее экономичными источниками для создания водорода. К 2030 году стоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии может упасть на 30%. Это способно повысить привлекательность водородного топлива.

Пока же на электролитический водород приходится около 0,1% мирового производства. Оно и понятно: сейчас нет достаточного количества экологичных источников электричества, которые можно было бы направить на производство таких объемов водорода. Представьте: если бы весь промышленный водород вырабатывали с помощью электричества, то на эти цели было бы потрачено около 3600 ТВт·ч — это больше общегодового производства электроэнергии в Европейском союзе.

Типы [ править | править код ]

Химические ракетные топлива [ править | править код ]

  • Твёрдые.
    • Нитроцеллюлоза
    • Нитроглицерин, динитрогликоль и другие труднолетучие растворители
    • Чёрный порох
    • Карамельное ракетное топливо
    • Смесевое ракетное топливо
    • Металлы как горючее
    • Карбиды, нитриды, органические азиды и амиды металлов
    • Гидриды металлов
    • Сложные гидриды
    • Перхлораты металлов
  • Жидкие:
    • Нитрометан
    • Изопропилнитрат
    • Керосин
    • Нафтил
    • Перекись водорода
    • Гидразин и его производные, метилгидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил)
    • Металлоорганические соединения
    • Органические амины
    • Спирты
    • Нефтепродукты
    • Углеводороды
    • Простые эфиры
    • Растворы металлов
    • Бороводороды
    • Водород
    • Метан сжиженный

Окислители для жидких видов топлива [ править | править код ]

    • Фтор
    • Кислород
    • Озон
    • Фториды кислорода
    • Неорганические фториды азота
    • Фториды галогенов
    • Перхлорилфторид
    • Оксиды азота
    • Азотнокислотные окислители
    • Перекись водорода
    • Соединения инертных газов
    • Пероксиды, надпероксиды и неорганические озониды
    • Неорганические нитраты
    • Органические нитросоединения и эфиры азотной кислоты (алкилнитраты)
    • Хлорная кислота
    • Перхлораты неметаллов
    • Тетраоксид диазота (АТ, Амил)
  • Гелеобразное.
  • Гибридное.

Свободные радикалы [ править | править код ]

  • Рабочие тела для электрореактивных двигателей.

Ядерные топлива [ править | править код ]

  • Радиоизотопы.

И наконец последними, возглавляющими наш список минусов водородных технологий являются: — смертельные опасности, связанные с жидким и газообразным водородом.

Возглавляет окончательный список проблем — само возгорание водорода. В присутствии окислителя, т.е. кислорода, водород может сам по-себе просто загореться. Иногда такое возгорание происходит в виде взрыва. Согласно проведенным исследованиям было установлено, что для воспламенения водорода достаточно всего одной 10(десятой) частички энергии, что требуется для воспламенения бензина. Проще говоря можно сказать, что достаточно всего маленькой искры от статического электричества, чтобы этот гремучий газ вспыхнул.

Еще одна проблема кроется в том, что это пламя водорода почти невидимо. При возгорании водорода пламя настолько тускло, что с ним не так-то просто бороться (справиться).

А вот друзья еще одно летальное свойство водорода: -он может привести к удушью. H2 конечно не ядовит, но, если вы начнете дышать чистым водородом, то можете просто задохнуться и все потому, что будете просто-напросто лишены обычного кислорода. И хуже того, распознать, что концентрация водорода в воздухе очень высока просто невозможно, так как он совсем невидим и не имеет запаха, так же как и сам кислород.

Читать еще:  Что такое турботаймер для дизельного двигателя

И наконец последняя причина. Как и любой сжиженный газ водород имеет очень низкую температуру. При утечке из бака и непосредственным контактом с открытыми участками тела человека, он может привести к серьезному обморожению.

Плюсы водорода как топлива

  • Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
  • Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
  • Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
  • На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

  • Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
  • Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Топливо космических ракет и аппаратов [ править | править код ]

Вывод космических аппаратов за пределы земной атмосферы и разгон до орбитальных скоростей требует огромных энергозатрат. Используемые в настоящее время топлива и конструкционные материалы ракет обеспечивают соотношение масс на старте и на орбите не лучше 24:1. Поэтому масса космической ракеты на старте составляет сотни и даже тысячи тонн. Отрыв такой массы от стартового стола требует превосходящей реактивной тяги двигателей. Поэтому основное требование к топливу первой ступени ракет — возможность создания значительной тяги при приемлемых габаритах двигателя и запасах топлива. Тяга прямо пропорциональна удельному импульсу и массовому расходу топлива, то есть топлива с высоким удельным импульсом требуется меньше для вывода той же нагрузки на орбиту. Удельный импульс обратно пропорционален молекулярному весу продуктов горения, что означает низкую плотность высокоэффективного топлива и, соответственно, значительный объём и вес конструкции двигателя и топливной системы. Поэтому при выборе топлив ищут компромисс между весом конструкции и весом топлива. На одном конце этого выбора находится топливная пара жидкий водород+жидкий кислород с наивысшим удельным импульсом и низкой плотностью. На другом конце находится твёрдое топливо на основе перхлората аммония с низким удельным импульсом, но высокой плотностью.

Помимо энергетических возможностей топлива, учитываются и другие факторы. Неустойчивость горения топлив может приводить к отказам или взрывам двигателей. Высокая температура горения и состав продуктов сгорания топлив предъявляют повышенные требования к конструированию, материалам и технологии двигателей.

Читать еще:  Что такое безгильзовые двигатели

Криогенные топлива утяжеляют ракету теплоизоляцией, сужают выбор конструкционных материалов до хладостойких, усложняют проектирование и отработку. Поэтому на заре космической эры получили широкое распространение топлива, один или оба компонента которых не были криогенными: это топлива керосин + жидкий кислород и т. н. «вонючие» топлива, в которых качестве горючего использовались гидразин и его простейшие производные (ММГ, НДМГ), а окислителем были тетроксид азота или азотная кислота. Эти топлива имеют вполне приемлемые характеристики, поэтому широко используются и в наше время.

Помимо технических факторов важны экономические, исторические и социальные. Криогенные топлива требуют дорогой сложной специфической инфраструктуры космодрома для получения и хранения криогенных материалов, таких как жидкие кислород и водород. Высокотоксичные топлива, такие как НДМГ, создают экологические риски для персонала и мест падения ступеней ракет, экономические риски последствий заражения территорий при аварийных ситуациях.

В ракетах для запуска космических аппаратов в настоящее время, как правило, используются четыре вида топлива:

  • Керосин + жидкий кислород. Популярное, дешёвое топливо с великолепно развитой топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность, хорошую плотность. Лучшие двигатели обеспечивают удельный импульс (УИ) немногим выше 300 секунд при атмосферном давлении и около 335 секунд в вакууме. Используется в: РД-107А (РН «Союз-2.1б»), РД-180 (РН «Атлас-5»), РД-191 (РН «Ангара»), Мерлин (РН Falcon 9) и др.
  • Несимметричный диметилгидразин («гептил») или монометилгидразин + тетраоксид азота («амил»). Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость топливной пары, относительная простота топливной арматуры, лёгкость хранения, хорошие плотность и энергетические характеристики предопределили его широкое распространение. Сегодня предпринимаются усилия по отказу от НДМГ. Возможность долговременного хранения пока не оставляет альтернативы этому топливу для двигателей многократного включения, используемых при орбитальном маневрировании космических аппаратов. УИ приближается к кислород-керосиновой паре. Используется в: РД-276 (РН «Протон»).
  • Жидкий водород + жидкий кислород (LOX/LH2). Очень низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения жидкого водорода ставят под сомнение эффективность использования этого топлива в первой ступени ракет. Широко используется в верхних ступенях ракет-носителей, где приоритет тяги уменьшается, а цена массы растёт. Имеет великолепную экологичность. УИ лучших двигателей на уровне моря свыше 350 секунд, в вакууме — 450 секунд. Используется в: RS-25 (РН SLS, Спейс шаттл), Vulcain (РН «Ариан-5»), LE-7A[en] (РН H-IIB) и др.
  • Смесевое твёрдое ракетное топливо на основе перхлората аммония. Дорогое топливо, требует высокой культуры производства. Широко используется в западном ракетостроении на первых ступенях (ускорителях) ракет благодаря своей высокой плотности, лёгкости получения значительной тяги и простоте конструкции твердотопливных двигателей. Из четырёх перечисленных топлив имеет самый экологически грязный состав продуктов сгорания. Типовой УИ — 250 секунд. Используется в боковых ускорителях МТКК Спейс шаттл, РН SLS, РН «Ариан-5» и др.

В настоящее время ведутся работы по внедрению перспективного криогенного топлива жидкий метан + жидкий кислород. Очень дешёвое топливо, по остальным характеристикам занимает промежуточное положение между топливными парами керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород. Используется в: BE-4 (РН Vulcan, New Glenn), Raptor (SpaceX Starship) и др.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector