إنجاز جديد في تخزين الهيدروجين المسال لتشغيل الطائرات
صمّم باحثون أميركيون نظامًا عمليًا لتخزين الهيدروجين المسال وتوصيله، فيما يمثّل نقلة نوعية في دفع الطائرات للوصول إلى قطاع خالٍ من الانبعاثات.
ووفق التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، فإن التصميم الذي ابتكره باحثون في كلية الهندسة التابعة لجامعتي فلوريدا إيه آند إم وولاية فلوريدا، يعالج “تحديات هندسية متعددة في آنٍ واحد”.
وبالتالي، يتمكّن الهيدروجين من العمل بوصفه وقودًا نظيفًا ووسيطًا مُتكاملًا للتبريد لأنظمة الطاقة الحيوية في الطائرات الكهربائية من الجيل التالي.
وتمتد التطبيقات المحتملة لهذا التصميم إلى ما هو أبعد من الطائرات، لتشمل قطاعات نقل أخرى تتطلّب حلولاً فعّالة لتخزين الهيدروجين وإدارة الحرارة.
نظام مبتكر لتخزين الهيدروجين المسال
تُقدّم الدراسة، المنشورة في مجلة أبلايد إنرجي (Applied Energy)، نظامًا قابلًا للتطوير، مُصمّمًا خصيصًا للطائرات الكهربائية الهجينة التي تتسع لـ100 راكب.
ويدمج التصميم الجديد خلايا وقود الهيدروجين مع مولدات فائقة التوصيل تعمل بتوربينات الهيدروجين، ما يُظهر كيفية تخزين الهيدروجين المسال بكفاءة، ونقله بأمان، واستعماله بصورة إستراتيجية لتبريد الأنظمة الموجودة على متن الطائرة خلال جميع مراحل الطيران.
وقال الأستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية بالكلية المشتركة، المؤلف المُراسل للدراسة، وي غو: “كان هدفنا إنشاء نظام واحد يُدير مهام حيوية متعددة: تخزين الوقود، والتبريد، والتحكم في التوصيل.. يُرسي هذا التصميم الأساس لأنظمة طيران هيدروجينية واقعية”.
ويشمل النظام المبتكر مبادلات حرارية تعمل بتسلسل منظم بعناية، ما يزيد من الكفاءة مع تقليل تعقيد الأجهزة.
وفي أثناء تدفق الهيدروجين عبر النظام، يُبرّد أولًا المكونات المبردة العالية الكفاءة، مثل المولدات والخطوط الفائقة التوصيل والعالية الحرارة.
بعد ذلك، يمتص الحرارة من المكونات ذات درجات الحرارة الأعلى، بما في ذلك المحركات الكهربائية والإلكترونيات الصناعية، قبل الوصول إلى الظروف المثلى لمدخل خلية الوقود.
تحديات الهيدروجين في قطاع الطيران
يعمل النظام المبتكر على حل العديد من التحديات؛ إذ يُنظر إلى الهيدروجين من قِبَل الكثيرين على أنه البديل الواعد للوقود النظيف في قطاع الطيران، نظرًا إلى أنه يُخزّن طاقةً أكبر لكل كيلوغرام مقارنةً بوقود الطائرات التقليدي، مع انبعاثات محايدة للكربون.
ومع ذلك، تتطلّب كثافته المنخفضة للغاية تخزينه في صورة سائل فائق البرودة عند درجة حرارة -253 درجة مئوية، ما يُشكّل تحديات هندسية كبيرة لتطبيقات الطائرات.
وواجه فريق جامعتي فلوريدا إيه آند إم وولاية فلوريدا هذا التحدي من خلال إدخال مؤشر جديد لقياس الوزن، وهو نسبة كتلة الوقود إلى إجمالي كتلة نظام الوقود، الذي يُراعي جميع مكونات النظام، بما في ذلك وقود الهيدروجين، وهيكل الخزان، والعزل، والمبادلات الحرارية، وأجهزة الدوران، وسوائل التشغيل.
ومن خلال التحسين المنهجي لمعايير التصميم الرئيسة، مثل ضغط التهوية وأبعاد المبادل الحراري، حدّد الفريق تصميمًا يحقّق مؤشرًا مناسبًا لقياس الوزن قدره 0.62.
ووفق ما جاء في الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، هذا يعني أن 62% من إجمالي وزن النظام يتكون من وقود هيدروجين صالح للاستعمال، وهو تقدّم كبير مقارنةً بالتصاميم التقليدية؛ ما قد يُسرّع من نشر الطيران التجاري المعتمد على الهيدروجين.
ويُمثّل نهج النظام الثنائي الوظيفة نقلة نوعية في تصميم الطائرات؛ فبدلًا من تركيب أنظمة تبريد منفصلة، يُوجّه التصميم الهيدروجين الفائق البرودة عبر مبادلات حرارية موضوعة في مواقع إستراتيجية، تُزيل الحرارة المُهدرة من المولدات والمحركات والخطوط والإلكترونيات الصناعية الفائقة التوصيل.
وتُسخّن عملية التكامل الحراري هذه الهيدروجين مسبقًا بصورة طبيعية إلى درجات الحرارة المثلى لتشغيل خلايا الوقود والتوربينات.
توصيل الهيدروجين المسال
شدّدت الدراسة -التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة- على أن توصيل الهيدروجين المسال في جميع أنحاء الطائرة يُمثّل تحديات فريدة؛ إذ تُضيف المضخات الميكانيكية وزنًا وتعقيدًا، وتُزيد من احتمالية حدوث أعطال في ظروف التبريد المُبكر.
وقد طوّر فريق البحث نظامًا أنيقًا دون مضخات، يستعمل تنظيم ضغط الخزان للتحكم في تدفق الهيدروجين.
ويستعمل النظام طريقتَيْن للتحكم في الضغط: حقن غاز الهيدروجين من أسطوانات عالية الضغط لزيادة الضغط، وتنفيس بخار الهيدروجين لتقليله.
وأظهرت عمليات المحاكاة أن النظام قادر على توصيل الهيدروجين بمعدلات تصل إلى 0.25 كيلوغرامًا في الثانية، وهو معدل كافٍ لتلبية الطلب الكهربائي البالغ 16.2 ميغاواط في أثناء الإقلاع أو إجراءات الالتفاف في حالات الطوارئ، وهي مراحل حرجة تتطلّب أقصى إنتاج للطاقة.
“في السابق، لم يكن الناس متأكدين من كيفية نقل الهيدروجين المسال بفاعلية في الطائرة، وما إذا كان من الممكن استعماله أيضًا لتبريد مكونات نظام الطاقة”، كما أوضح غو.
وأضاف: “لم نثبت فقط إمكان ذلك، بل أثبتنا أيضًا ضرورة إجراء تحسين على مستوى النظام لهذا النوع من التصميم”.
وبينما ركزت هذه الدراسة الأحدث على تحسين التصميم ومحاكاة النظام، يستعد فريق البحث للمرحلة التالية الحاسمة: التحقق التجريبي.
ويخطّط غو وفريقه لبناء نموذج أولي للنظام وإجراء اختبارات شاملة في مركز أنظمة الطاقة المتقدمة بجامعة ولاية فلوريدا، وهي خطوة حاسمة نحو التسويق التجاري.
موضوعات متعلقة..
- أول سفينة شحن عامة حيادية الكربون تعمل بالهيدروجين المسال في العالم
- أول تجربة لتخزين الهيدروجين المسال تشهد مفاجأة صادمة
- ناقلات الهيدروجين المسال تشهد تطورًا يسهم في نشرها عالميًا
اقرأ أيضًا..
- أكبر 5 صفقات نفطية في مايو 2025 تتصدرها سلطنة عمان
- إنتاج الغاز في الشرق الأوسط ينتعش بحلول 2050.. وهذه توقعات 5 دول
- أزمة الكهرباء العالمية.. دور مهم للذكاء الاصطناعي ومنافسة مصادر الطاقة (تقرير)
- صفقة قطر لدعم قطاع الكهرباء في سوريا بـ7 مليارات دولار تواجه عدة تحديات
المصادر:
- ابتكار نظام جديد لتخزين الهيدروجين المسال من موقع كلية الهندسة التابعة لجامعتي فلوريدا إيه آند إم وولاية فلوريدا.
- دراسة تخزين الهيدروجين المسال وتوصيله من مجلة “أبلايد إنرجي”.
إقرأ: إنجاز جديد في تخزين الهيدروجين المسال لتشغيل الطائرات على منصة الطاقة