Жидкий водород

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
У этого термина существуют и другие значения, см. Сжиженный газ.
Артемида-1
(31 августа 2022 года).

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) —

плотностью — 0,07 г/см³, и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 °C) и точкой кипения 20,28 K (−252,87 °C)[1]. Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде[англ.] составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород[2]. Коэффициент расширения[англ.]
водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве криогенного ракетного топлива).

История

Первое документированное использование искусственного

изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Паулем Хартеком и Карлом Бонхёффером
в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового

металлов или путём использования урановых или никелевых добавок[7]
.

Использование

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например DeepC[англ.] или BMW H2R[англ.]). Благодаря близости конструкций, создатели техники на жидком водороде могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ (СПГ). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо СПГ в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевой уровень выбросов». Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при горении водорода образуется также незначительное количество оксидов азота. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.

Препятствия

Один литр жидкого водорода весит всего 0,07

удельная плотность составляет 71 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день[8]. При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом («Водородная безопасность
») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определённые трудности при хранении.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространённым компонентом

эрозию сопла и камеры сгорания
.

Такие препятствия использования жидкого водорода в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель («Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном жидкий водород используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамёрзшей формы жидкого водорода.

Водород с разными окислителями

Данные приводятся на основании таблиц, опубликованных в

Рокетдайн».[10] При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве горючего, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшой молекулярной массой. Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания (КС), равного 68,05 атмосферы. Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода
.

Окислитель Горючее Комментарий При оптимальном расширении от 68,05 атм до условий
поверхности Земли (1 атм) вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1)
Ve r Tc d C* Ve r Tc d C*
жO2
 H2 распространено 3816 4,13 2740 0,29 2416 4462 4,83 2978 0,32 2386
H2 + Be (49:51) 4498 0,87 2558 0,23 2833 5295 0,91 2589 0,24 2850
CH4 + H2 (92,6:7,4) 3126 3,36 3245 0,71 1920 3719 3,63 3287 0,72 1897
F2 H2 4036 7,94 3689 0,46 2556 4697 9,74 3985 0,52 2530
H2 + Li (65,2:34,0) 4256 0,96 1830 0,19 2680
H2 + Li (60,7:39,3) 5050 1,08 1974 0,21 2656
OF2 H2 4014 5,92 3311 0,39 2542 4679 7,37 3587 0,44 2499
F2 + O2 (30:70) H2 3871 4,80 2954 0,32 2453 4520 5,70 3195 0,36 2417
O2 H2 3997 3,29 2576 — 2550 4485 3,92 2862 — 2519

В таблице использованы обозначения:

r — массовое соотношение смеси окислитель/горючее;
Ve [м/с] — средняя скорость истечения газов;
C* [м/с] — характеристическая скорость;
Tc [°C] — температура в КС;
d [г/см3] — средняя плотность топлива;

При этом Ve является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н⋅с/кг], а C* вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что даёт приращение скорости на единицу массы.

Опасность

Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание жидкого водорода на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку лёгких.

См. также

Примечания

  1. ↑ F. D. Rossini. A REPORT ON THE INTERNATIONAL PRACTICALTEMPERATURE SCALE OF 1968 (англ.). Международный союз теоретической и прикладной химии. Дата обращения: 5 марта 2024. Архивировано 16 марта 2023 года.
  2. ↑ Mark Wad. Liquid Air/LH2 (англ.). Дата обращения: 5 марта 2024. Архивировано из оригинала 4 июля 2002 года.
  3. ↑ Philosophical Society of Edinburgh. Essays and Observations: Physical and Literary. Read Before a Society in Edinburgh, and Published by Them. Volume II. — 436 с. Архивировано 6 марта 2024 года.
  4. ↑ History of the United States Patent Office. The Patent Office Pony. A History of the Early Patent Office. Chapter 21: Last Years under the State Department (англ.). Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 28 сентября 2008 года.
  5. ↑ Improved process for the artificial production of ice (англ.). Google Patents. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 11 марта 2022 года.
  6. ↑ John L. Sloop. Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel, 1945—1959 (англ.). НАСА. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 19 февраля 2024 года.
  7. ↑ LECTURE # 11. Topic: Liquefaction (англ.) С. 13. Флоридский университет. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано из оригинала 11 сентября 2008 года.
  8. ↑ Peter Kushnir. Hydrogen As an Alternative Fuel (англ.). United States Army Logistics Management College. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано из оригинала 17 сентября 2002 года.
  9. American Institute of Physics. — 1951 p. — (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs). Архивировано
    18 января 2017 года.
  10. ↑ Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics) (Архивная копия от 28 августа 2018 на Wayback Machine), Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International.

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Жидкий_водород&oldid=143034724