Жидкий водород

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью — , и криогенными свойствами с точкой замерзания () и точкой кипения (). Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород. 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, 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 Горри первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году, 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 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 Паулем Хартеком и Карлом Бонхёффером 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, 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.

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 или ). 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 кг. То есть его 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. 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 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 переобогащённую водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счёт уменьшения средней молекулярной массы, это ещё сокращает 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 США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (, «Сборник ВМС и ВВС армии США»), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «Рокетдайн».Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics) (), Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International. 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 T_c 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; T_c [°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 Криогеника Водород Топливо Ракетное топливо

Примечания

Ссылки

водород Категория:Физика низких температур Категория:Ракетное топливо Категория:Водород Категория:Криоагенты