El Centro Nacional de Compuestos (NCC) del Reino Unido ha desarrollado un demostrador espacial de tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido que tiene 750 mm de largo, 450 mm de diámetro y capacidad para más de 96 litros de hidrógeno líquido.

El tanque está diseñado y fabricado con un espesor de pared nominal de 4,0 a 5,5 mm, lo que le permite soportar una presión de 85 bar. La carrocería compuesta de fibra de carbono pesa sólo 8 kilogramos y está prevista una mayor optimización del peso. NCC utiliza preimpregnado de fibra de carbono epoxi MTC510 de 300 mm de ancho. MTC510 es un sistema de resina epoxi diseñado para curar entre 80 °C y 120 °C y está endurecido para mejorar la tolerancia al daño. BINDATEX proporcionó la cinta preimpregnada, que se cortó con precisión a un ancho de 6,35 mm y se devolvió como 22.000 metros de material para su uso en el equipo de colocación automatizada de fibra (AFP) Coriolis. Se utilizó el dispositivo Coriolis AFP para envolver la cinta preimpregnada de 6,35 mm alrededor de un molde lavable, con el proceso de bobinado controlado por un software especializado para gestionar el bobinado tanto helicoidal como de aro. El proceso de bobinado, con más de 24 capas y un espesor de hasta 5,5 mm, se puede ajustar para optimizar los requisitos de carga o presión específicos del tanque.

El molde central, con un espesor de pared de 30 mm, se fundió en dos partes y luego se unió. La herramienta incluye tres anillos de refuerzo internos lavables diseñados para soportar las cargas de torsión esperadas durante la colocación automática de la capa compuesta y la presión aplicada durante el curado en autoclave. Los puertos metálicos de las válvulas de fluido están integrados en el molde central lavable, lo que elimina la necesidad de operaciones secundarias de ensamblaje y unión en el producto final. Estos puertos se unen con el compuesto de carbono en las últimas etapas del proceso de fabricación. Después del bobinado, el tanque se inspecciona para detectar defectos y variaciones de espesor, se cura en un autoclave a 100°C y se vuelve a inspeccionar. Se comparan las pruebas no destructivas (NDT) de poscurado mediante C-scan ultrasónico y termografía para identificar cualquier defecto como delaminaciones y porosidades. Finalmente, el molde interno del núcleo se lava con agua fría a presión para garantizar que la cavidad del tanque esté limpia.

¿Por qué utilizar hidrógeno líquido en aeronaves civiles?

El hidrógeno tiene una densidad energética en peso de 33,3 kWh/kg en comparación con los 12 kWh/kg del queroseno. Bajo presión y temperatura normales, el hidrógeno tiene una densidad de 0,090 kg/m³. A 700 bar (700 veces la presión atmosférica normal), la densidad del hidrógeno es de 42 kg/m³, lo que permite que un tanque de 125 litros almacene 5 kg de hidrógeno. A -252,87 °C y 1,013 bar, el hidrógeno líquido tiene una densidad cercana a los 71 kg/m³, lo que permite que un tanque de 75 litros almacene 5 kg de hidrógeno. Almacenar hidrógeno líquido en tanques de baja temperatura ayuda a reducir aún más el volumen.

• 3.000 litros de hidrógeno gaseoso a temperatura y presión normales equivalen en energía a 1 litro de queroseno de aviación.

• 6 litros de hidrógeno gaseoso a 700 bar equivalen en energía a 1 litro de queroseno de aviación.

• 4 litros (1,05 galones) de hidrógeno líquido a -252,87°C y 1,013 bar proporcionan la misma energía que 1 litro de queroseno de aviación.

A partir de estos datos, queda claro que el almacenamiento de hidrógeno líquido (-252,87 °C) requiere el volumen de tanque de almacenamiento más pequeño. Los volúmenes de tanques más pequeños son más fáciles de integrar dentro de la forma aerodinámica de un avión.

Cuestiones técnicas clave de los tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura (-252,87 °C):

1. Mantener el hidrógeno líquido del tanque por debajo de -253 °C:Actualmente, se utiliza una estructura aislada al vacío entre los tanques interior y exterior. El tanque interior está hecho de compuestos de resina reforzados con fibra de carbono, mientras que el tanque exterior contiene múltiples capas de aislamiento especial.

2. Instalación y mantenimiento de sistemas internos en el tanque:El desafío de instalar y mantener tuberías y componentes del sistema dentro del tanque si se utiliza el proceso actual de bobinado de fibra.

3. Selección de materiales para el tanque y sus componentes internos:El impacto del ambiente de baja temperatura (-252,87°C) sobre los materiales utilizados para el tanque y sus componentes internos.

4. Técnicas de prueba a baja temperatura y tecnologías de gestión de chapoteo de combustible.

5. Despegues y aterrizajes frecuentes y duraderos:El tanque de hidrógeno debe soportar aproximadamente 20.000 despegues y aterrizajes.

Impacto en la estructura de la aeronave

Los tanques de combustible en la estructura del ala de un avión son cavidades que se utilizan para almacenar combustible. Un tanque de ala del A320 puede almacenar aproximadamente 20 toneladas de queroseno de aviación (similar al Boeing 737 y al COMAC C919). En sustitución del queroseno por hidrógeno líquido, un tanque cilíndrico de hidrógeno líquido de 94 m³ solo podía instalarse en la parte trasera del fuselaje, lo que requería un alargamiento significativo del fuselaje. El fuselaje trasero tiene forma cónica con un diámetro máximo de menos de 4 m. Simplemente extender el fuselaje para acomodar un tanque de 94 m³ no es práctico; por lo tanto, también se debe aumentar el diámetro del fuselaje.

En el nuevo diseño del A320, se instalan un tanque redondo y otro cónico en la parte trasera del fuselaje. Sin embargo, aún no está claro si se aumentará el diámetro del fuselaje, aunque es probable. El Reino Unido ha presentado un diseño de avión civil propulsado por hidrógeno líquido, con el fuselaje estrecho “FZN-1E” para reemplazar al actual A320. Este nuevo diseño extiende el fuselaje en 10 m, aumenta el diámetro en 1 m, tiene una disposición de cabina de doble pasillo, alas rediseñadas, agregó"planos frontales"en el morro y motores montados en la cola.

Progreso

Los motores de aviones civiles son de dos tipos: motores turbohélice y motores turborreactores. Para los aviones con motores turbohélice, el hidrógeno genera electricidad a través de pilas de combustible para alimentar los generadores que impulsan las hélices. Este tipo de motor se instala principalmente en aviones regionales de 10 a 70 plazas y en pequeños aviones de aviación general. La investigación inicial impulsada por hidrógeno comenzó con estos tipos de aviones. El 12 de abril, un avión eléctrico de hidrógeno alemán de 4 plazas “HY-4” voló con éxito de Stuttgart a Friedrichshafen. A finales de este año, es posible que veamos aviones eléctricos de hidrógeno “Dornier” de 19 asientos y “Q-400” y “ATR72-600” de 75 asientos en el cielo. En abril de 1988, la Unión Soviética realizó un vuelo de prueba con un Tu-155 modificado con un motor turborreactor de hidrógeno líquido. Tras la disolución de la Unión Soviética, Rusia no continuó con esta investigación.

Actualmente, sólo cuatro empresas producen y desarrollan a nivel mundial aviones civiles con más de 100 asientos: Boeing, Airbus, COMAC y Rusia. Según un informe reciente de los medios extranjeros, sólo Boeing y Airbus están llevando a cabo investigaciones reales sobre aplicaciones de aviones civiles de hidrógeno líquido. El proyecto de Boeing, llevado a cabo hace más de una década en un pequeño"Dimona"planeador de hélice, era preliminar. Airbus está a la cabeza, habiendo iniciado pruebas de vuelo a gran altitud de motores turbofan alimentados con hidrógeno líquido. También han proporcionado diseños preliminares para tres tipos de aviones: aviones de hélice, aviones de 150 asientos y aviones de fuselaje ancho. Hay más información disponible sobre el avión de 150 asientos, que reemplazará al A320 de pasillo único y 150 asientos que ha estado en el mercado durante casi 40 años. Airbus planea lanzar un"nuevo A320"entre 2030 y 2035. El nuevo avión contará con un"albatros"Configuración aerodinámica con relación de aspecto ultra alta, puntas de las alas plegables y batientes y sin aletas de carenado. Los materiales utilizados serán compuestos termoestables de resina epoxi reforzada con fibra de carbono para las alas y compuestos termoplásticos de fibra de carbono de alto rendimiento para el fuselaje. Este nuevo avión utilizará hidrógeno líquido en lugar de queroseno de aviación, con el objetivo de diseño y fabricación de producir entre 70 y 100 aviones al mes. Airbus está muy por delante de Boeing en el desarrollo de aviones propulsados ​​por hidrógeno líquido (no se ha informado de que Boeing haya sustituido el 737 por hidrógeno líquido).

¿Qué podemos hacer?

El uso de hidrógeno en lugar de combustibles fósiles no sólo aborda las emisiones de carbono sino que también tiene una importancia estratégica para los países que carecen de recursos petroleros. China es el mayor productor de hidrógeno del mundo, con una producción anual de alrededor de 33 millones de toneladas. Varias empresas participan en la producción de hidrógeno líquido y China es el segundo mayor productor de fibra de carbono a nivel mundial. Por lo tanto, el desarrollo y la producción de tanques compuestos de almacenamiento de hidrógeno tienen una base material sólida.

Los diferentes tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido aeroespacial y de aviación analizados en este artículo demuestran que los tanques de almacenamiento están diseñados y fabricados para satisfacer las necesidades específicas y los espacios estructurales de diversos productos. Actualmente, muchos productos industriales todavía utilizan combustibles fósiles o electricidad de red. Estos pueden considerar cambiar a la energía del hidrógeno. Hay una amplia gama de productos por desarrollar en el campo del almacenamiento de hidrógeno y nos esperan muchas tareas.

Se ha verificado repetidamente la exactitud de algunos datos de este artículo, obtenidos de Internet. Estos datos se pueden utilizar para estimar las dimensiones de diseño inicial y la capacidad de los tanques de almacenamiento de hidrógeno.