Kapalný vodík ( LH, LH2, LH 2 , LH2, LH 2 ) - kapalný stav agregace vodíku , s nízkou hustotou - 0,07 g / cm³ a kryogenními vlastnostmi s bodem tuhnutí 14,01 K ( -259,14 ° C ) a bod varu 20,28 K ( −252,87 °C ) [1] . Je to bezbarvá kapalina bez zápachu, která je po smíchání se vzduchem klasifikována jako výbušnina s rozsahem hořlavosti 4-75%. Spinový poměr izomerů v kapalném vodíku je: 99,79 % - paravodík ; 0,21 % - ortovodík [2] . Koeficient expanze vodíku, když se stav agregace při pokojové teplotě změní na plynný, je 848:1.
Jako u každého jiného plynu vede zkapalnění vodíku ke zmenšení jeho objemu. Po zkapalnění se kapalný vodík skladuje v tepelně izolovaných tlakových nádobách. Kapalný vodík se používá v průmyslu (jako forma skladování plynu) a ve vesmíru (jako kryogenní pohonná látka ).
První doložené použití umělého chlazení v roce 1756 provedl anglický vědec William Cullen [3] , Gaspard Monge jako první získal kapalný stav oxidu sírového v roce 1784 , Michael Faraday jako první získal zkapalněný čpavek , Američan vynálezce Oliver Evans jako první vyvinul chladicí kompresor v roce 1805 , Jacob Perkins jako první patentoval chladicí stroj v roce 1834 a John Gorey jako první v USA patentoval klimatizaci v roce 1851 [4] [5] , Werner Siemens navrhl koncept regenerativního chlazení v roce 1857 , Carl Linde patentoval zařízení na výrobu kapalného vzduchu pomocí kaskádového „expanzního efektu Joule-Thomson “ a regenerativního chlazení [6] v roce 1876 . V roce 1885 publikoval polský fyzik a chemik Sigmund Wroblewski kritickou teplotu vodíku 33 K , kritický tlak 13,3 atm. a bod varu 23 K. Vodík poprvé zkapalnil James Dewar v roce 1898 pomocí regeneračního chlazení a jeho vynálezu, Dewarovy nádoby . První syntézu stabilního izomeru kapalného vodíku, parahydrogenu , provedli Paul Harteck a Karl Bonhoeffer v roce 1929 .
Vodík se při pokojové teplotě skládá ze 75 % spinového izomeru , ortovodíku . Po výrobě je kapalný vodík v metastabilním stavu a musí být převeden na paravodíkovou formu, aby nedocházelo k spontánní exotermické reakci jeho přeměny, vedoucí k silnému samovolnému odpařování vzniklého kapalného vodíku. Přeměna na paravodíkovou fázi se obvykle provádí pomocí katalyzátorů , jako je oxid železa , oxid chrómu , aktivní uhlí , azbest potažený platinou , kovy vzácných zemin nebo pomocí přísad na bázi uranu nebo niklu [7] .
Kapalný vodík lze využít jako formu úložiště paliva pro spalovací motory a palivové články . Pomocí této agregované formy vodíku byly vytvořeny různé projekty přepravy vodíku (viz například DeepC nebo BMW H2R ). Vzhledem k blízkosti designů mohou tvůrci technologie kapalného vodíku využívat nebo pouze upravovat systémy využívající zkapalněný zemní plyn (LNG). Vzhledem k nižší objemové hustotě energie však spalování vyžaduje větší objem vodíku než zemní plyn . Pokud se místo CNG v pístových motorech používá kapalný vodík, je obvykle vyžadován objemnější palivový systém. Při přímém vstřikování snižují zvýšené ztráty v sacím traktu plnění válců.
Kapalný vodík se také používá k chlazení neutronů při experimentech s rozptylem neutronů. Hmotnosti neutronu a jádra vodíku jsou téměř stejné, takže výměna energie při elastické srážce je nejúčinnější.
Výhodou použití vodíku je „nulová emise“ jeho aplikace. Produktem jeho interakce s kyslíkem ve vzduchu je voda , ale ve skutečnosti - stejně jako v případě klasických fosilních nosičů energie - díky přítomnosti molekul dusíku ve vzduchu vzniká malé množství oxidů tohoto plynu také během jeho spalování. Jako palivo pro vozidla provozovaná na volném prostranství se vodík v případě nehod a netěsností nehromadí na místě, ale stoupá do atmosféry, což snižuje nebezpečí požáru.
Jeden litr kapalného vodíku váží pouze 0,07 kg . To znamená, že jeho specifická hmotnost je 70,99 g / l při 20 K. Kapalný vodík vyžaduje technologii kryogenního skladování, jako jsou speciální tepelně izolované nádrže, a vyžaduje speciální manipulaci, která je společná pro všechny kryogenní materiály. V tomto ohledu se blíží kapalnému kyslíku , ale vyžaduje větší péči kvůli nebezpečí požáru. I v případě tepelně izolovaných nádob je obtížné ji udržovat při nízké teplotě, která je nutná k udržení kapaliny (typicky se odpařuje rychlostí 1 % za den [8] ). Mělo by se s ním také zacházet s obvyklými bezpečnostními opatřeními pro vodík („vodíková bezpečnost “ ) – je dostatečně chladný, aby zkapalnil vzduch, který je výbušný. Kapalný vodík za atmosférického tlaku má velmi úzký rozsah teplotní stability – pouhých 7 stupňů Celsia, což vytváří určité potíže při skladování.
Kapalný vodík je běžnou součástí raketového paliva , které se používá k tryskovému pohonu nosných raket a kosmických lodí . Ve většině raketových motorů na kapalné palivo se vodík nejprve používá k regenerativnímu ochlazení trysky a dalších částí motoru, než se smísí s okysličovadlem a spálí za vzniku tahu . Moderní motory poháněné H2 / O2 spotřebovávají palivovou směs bohatou na vodík, což má za následek určité množství nespáleného vodíku ve výfukových plynech. Kromě zvýšení specifického impulsu motoru snížením molekulové hmotnosti se tím také sníží eroze trysky a spalovací komory .
Takové překážky pro použití LH v jiných oblastech, jako je kryogenní povaha a nízká hustota, jsou v tomto případě také odrazující od použití. Od roku 2009 existuje pouze jedna nosná raketa (" Delta-4 "), která je výhradně vodíková raketa. V zásadě se LH používá buď na horních stupních raket, nebo na horních stupních, které vykonávají podstatnou část práce při vynášení nákladu do vesmíru ve vakuu. Jako jedno z opatření ke zvýšení hustoty tohoto typu paliva existují návrhy na použití kalového vodíku, tedy polozmrzlé formy LH.
Data jsou uvedena .Účely.Eng(datsběrutermodynamickéhoJANAFprojekturámcivUSAtabulek publikovaných v[9]základěna Zpočátku výpočty prováděl Rocketdyne . [10] Přitom se předpokládalo, že probíhá adiabatické spalování, izoentropická expanze jedním směrem a dochází k posunu rovnovážného stavu. Kromě možnosti použití vodíku jako paliva jsou uvedeny možnosti použití vodíku jako pracovní tekutiny , což je vysvětleno jeho nízkou molekulovou hmotností . Všechny údaje jsou založeny na tlaku ve spalovací komoře („ CC “) 68,05 atmosfér . Poslední řádek tabulky obsahuje údaje pro plynný vodík a kyslík .
| Optimální expanze z 68,05 atm na podmínky: | Zemský povrch (1 atm ) | vakuum (0 atm , expanze trysky 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Oxidátor | Pohonné hmoty | Komentář | V e | r | Tc _ | d | C* | V e | r | Tc _ | d | C* |
| wO 2 | H2 _ | společný | 3816 | 4.13 | 2740 | 0,29 | 2416 | 4462 | 4,83 | 2978 | 0,32 | 2386 |
| H 2 - být 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 | |||||||
| Z 2 | H2 _ | 4014 | 5,92 | 3311 | 0,39 | 2542 | 4679 | 7.37 | 3587 | 0,44 | 2499 | |
| F 2 / O 2 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 | |
| V tabulce jsou použity následující zápisy: | r | [-] | - hmotnostní poměr směsi " oxidační činidlo/palivo "; |
| V e | [ m / s ] | je průměrná rychlost výstupu plynů; | |
| C* | [ m / s ] | je charakteristická rychlost ; | |
| Tc _ | [ °C ] | — teplota v kompresorové stanici ; | |
| d | [ g / cm³ ] _ | — průměrná hustota paliva a okysličovadla; |
zatímco " V e " je stejná jednotka jako specifický impuls , ale redukuje se na rozměr rychlosti [ N * sec / kg ] a " C * " se vypočítá vynásobením tlaku ve spalovací komoře koeficientem expanze plocha trysky a poté dělení hmotnostní spotřebou paliva a okysličovadla, což dává zvýšení rychlosti na jednotku hmotnosti.
Kapalný vodík je pro člověka docela nebezpečný. Kontakt s pokožkou může způsobit omrzliny a vdechování par může vést k plicnímu edému.