Русская Википедия:Жидкий водород
Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью − Шаблон:Num, и криогенными свойствами с точкой замерзания Шаблон:Num (Шаблон:Num) и точкой кипения Шаблон:Num (Шаблон:Num)[1]. Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое Шаблон:Iw составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород[2]. Шаблон:Iw 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 охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом[3], Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и Джон Гори первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году[4][5], Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения[6] в 1876 году. В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K. Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара. Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.
Спиновые изомеры водорода
Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера, ортоводорода. После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных 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 Шаблон:Iw или Шаблон:Iw). 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 «нулевая эмиссия» его применения. 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 его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. 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 кг. То есть его удельная плотность составляет 70,99 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 определенные трудности при хранении.
Ракетное топливо
Шаблон:Переработать Жидкий водород является распространенным компонентом ракетного топлива, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H2/O2 потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счет уменьшения молекулярного веса, это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.
Такие препятствия использования ЖВ 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 ЖВ 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 полузамерзшей формы ЖВ.
Водород с разными окислителями
Данные приводятся на основании[9] таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (Шаблон:Lang-en, «Сборник ВМС и ВВС армии США»), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «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 топлива, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшим молекулярным весом. Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания («КС»), равного 68,05 атмосфер. Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода.
| Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий: | поверхности Земли (1 атм) | вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Окислитель | Топливо | Комментарий | 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/топливо»; |
| Ve | [м/сек] | — средняя скорость истечения газов; | |
| C* | [м/сек] | — характеристическая скорость; | |
| Tc | [°C] | — температура в КС; | |
| d | [г/см³] | — средняя плотность топлива и окислителя; |
при этом «Ve» является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н*сек/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 дает приращение скорости на единицу массы.
Опасность
Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание ЖВ на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку легких.
См. также
Примечания
Ссылки
- ↑ IPTS-1968 Шаблон:Wayback (en)
- ↑ Жидкий воздух/водород Шаблон:Wayback (en)
- ↑ Уильям Каллен, «О производстве холода, произведенного при испарении жидкостей и некоторые другие способы получения холода», в «Essays and Observations Physical and Literary Read Before a Society in Edinburgh and Published by Them, II», (Эдинбург, 1756) (en)
- ↑ США: 1851 Джон Гори Шаблон:Wayback (en)
- ↑ США: 1851 Патент 8080 Шаблон:Wayback (en)
- ↑ НАСА: Водород в течение XIX века Шаблон:Wayback (en)
- ↑ Преобразование водорода «Орто-Пара». Стр. 13 Шаблон:Webarchive (en)
- ↑ Водород в качестве альтернативного топлива Шаблон:Webarchive (en)
- ↑ NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set, (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs) Шаблон:Wayback, Hardcover: 1951 pp, Publisher: American Institute of Physics; 4th edition (1 августа 1998), Language: English, ISBN 1-56396-831-2, ISBN 978-1-56396-831-0
- ↑ Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics) Шаблон:Wayback, Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International
