Жидкий водород
.jpg)
Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой 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
[править | править код]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
[править | править код]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[7].
Использование
[править | править код]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
[править | править код]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
[править | править код]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[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
[править | править код] | Эта статья или раздел нуждается в переработке. |
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
[править | править код]Данные приводятся на основании таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force, «Сборник ВМС и ВВС армии США»)[9], 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 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
[править | править код]Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание жидкого водорода на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку лёгких.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ 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.
- ↑ Mark Wad. Liquid Air/LH2 (англ.). Дата обращения: 5 марта 2024. Архивировано из оригинала 4 июля 2002 года.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ Improved process for the artificial production of ice (англ.). Google Patents. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 11 марта 2022 года.
- ↑ John L. Sloop. Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel, 1945—1959 (англ.). НАСА. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 19 февраля 2024 года.
- ↑ LECTURE # 11. Topic: Liquefaction (англ.) С. 13. Флоридский университет. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано из оригинала 11 сентября 2008 года.
- ↑ 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.
- ↑ NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set (англ.). — 4th ed. — American Institute of Physics. — 1951 p. — (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs). Архивировано 18 января 2017 года.
- ↑ 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
[править | править код] |
|---|
