ЖВ

Бак для жидкого водорода в автомобильном музее (Альтлусхайм, Германия) немецкой химической компании «Linde AG»

«Жи́дкий во́дород» («ЖВ») — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой удельной 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 является взрывоопасным веществом с диапазоном коэффициента воспламенения, при смешивании с воздухом, 4-75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород.^[2] Коэффициент расширения водорода при смене агрегатного состояния на газообразное составляет 848:1 при 20°C.

Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объема. После сжижения «ЖВ» хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород (англ. Liquid hydrogen, LH2, LH₂) активно используется в промышленности, в качестве формы хранения газа, и в космической отрасли, в качестве ракетного топлива.

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским ученым 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, cосуда Дьюара. Первый синтез стабильного изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит в основном из спинового изомера, ортоводорода. После производства, жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать взрывоопасной экзотермической реакции, которая имеет место при его изменении при низких температурах. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных металлов или путем использования урановых или никелевых добавок.^[7]

Использование

Эмблема № 704 Противопожарной ассоциации США для стационарных установок, использующих водород.

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателя внутреннего сгорания в топливных элементах. Различные подлодки (проекты «212А» и «214», Германия) и концепты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например «DeepC» или «BMW H2R»). Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только модифицировать системы, использующие сжиженный природный газ («СПГ»). Однако из-за более низкой плотности энергии, водород требует бо́льшего объема для хранения. Если жидкий водород не используется вместо «СПГ», возвратно-поступательные двигатели (англ. Piston engine) на водороде обычно требуют более громоздкой топливной системы. Если не используется прямой впрыск, появляется сильный эффект от замены используемого газа, который также мешает увеличению мощности и увеличивает затраты на перекачку топлива.

Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов — в силу того, что нейтроны и водородные ядра имеют близкие массы, обмен кинетической энергией максимален при их эластичных соударениях.

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с воздухом является вода.

Препятствия

Один литр «ЖВ» 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 термически изолированные контейнеры 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 контейнерами 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^[9] — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространенным компонентом ракетных топлив, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателях 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 еще 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 (РН «Дельта 4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном «ЖВ» используется либо на верхних ступенях ракет, либо на 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^[10] таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force, «Сборник ВМС и ВВС армии США»), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «Рокетдайн».^[11] 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») равному 68.05 атм. 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*
LOX	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
GOX	GH2		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	[°С]	— температура в КС;
	d	[гр/см³]	— средняя плотность топлива и окислителя;

при этом «V_e» является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н*сек/кг], а «C*» вычисляется путем умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на скорость расхода массы топлива и окислителя, что дает приращение скорости на единицу массы.

Смотри также

• Криогеника
• Водород
• Топливо
• Ракетное топливо

Ссылки

1. ↑ IPTS-1968 (en)
2. ↑ Жидкий воздух/водород (en)
3. ↑ 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)
4. ↑ США: 1851 Джон Гори (en)
5. ↑ США: 1851 Патент 8080 (en)
6. ↑ НАСА: Водород в течение XIX века (en)
7. ↑ Преобразование водорода «Орто-Пара». Стр. 13 (en)
8. ↑ Водород в качестве альтернативного топлива (en)
9. ↑ «Водородная безопасность» (en-wiki)
10. ↑ NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set, (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs), Hardcover: 1951 pp, Publisher: American Institute of Physics; 4th edition (1 августа 1998), Language: English, ISBN 1563968312, ISBN 978-1563968310
11. ↑ Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics), Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International