Il National Composites Centre (NCC) del Regno Unito ha sviluppato un dimostratore di serbatoio spaziale di stoccaggio dell’idrogeno liquido lungo 750 mm, con un diametro di 450 mm e in grado di contenere oltre 96 litri di idrogeno liquido.

Il serbatoio è progettato e realizzato con uno spessore nominale della parete compreso tra 4,0 e 5,5 mm, che gli consente di resistere ad una pressione di 85 bar. La carrozzeria in composito di fibra di carbonio pesa solo 8 chilogrammi ed è prevista un'ulteriore ottimizzazione del peso. NCC utilizza un preimpregnato in fibra di carbonio epossidica MTC510 largo 300 mm. MTC510 è un sistema di resina epossidica progettato per polimerizzare tra 80°C e 120°C ed è rinforzato per migliorare la tolleranza ai danni. BINDATEX ha fornito il nastro preimpregnato, che è stato tagliato con precisione a una larghezza di 6,35 mm e restituito sotto forma di 22.000 metri di materiale da utilizzare nelle apparecchiature AFP (Coriolis per il posizionamento automatizzato delle fibre). Il dispositivo Coriolis AFP è stato utilizzato per avvolgere il nastro preimpregnato da 6,35 mm attorno a uno stampo lavabile, con il processo di avvolgimento controllato da un software specializzato per gestire sia l'avvolgimento elicoidale che quello circolare. Il processo di avvolgimento, con oltre 24 strati e uno spessore fino a 5,5 mm, può essere regolato per ottimizzare la pressione specifica o i requisiti di carico del serbatoio.

Lo stampo centrale, con uno spessore di parete di 30 mm, è stato colato in due parti e poi incollato insieme. Lo strumento comprende tre anelli di rinforzo interni lavabili progettati per resistere ai carichi torsionali previsti durante il posizionamento automatico dello strato composito e alla pressione applicata durante la polimerizzazione in autoclave. Le porte metalliche della valvola del fluido sono integrate nello stampo centrale lavabile, eliminando la necessità di operazioni secondarie di assemblaggio e incollaggio sul prodotto finale. Queste porte vengono unite al composito di carbonio nelle fasi successive del processo di produzione. Dopo l'avvolgimento, il serbatoio viene ispezionato per difetti e variazioni di spessore, polimerizzato in autoclave a 100°C e nuovamente ispezionato. I test non distruttivi post-polimerizzazione (NDT) utilizzando la scansione C a ultrasuoni e la termografia vengono confrontati per identificare eventuali difetti come delaminazioni e porosità. Infine, l'anima interna dello stampo viene lavata con acqua fredda pressurizzata per garantire che la cavità del serbatoio sia pulita.

Perché utilizzare l'idrogeno liquido negli aerei civili?

L'idrogeno ha una densità energetica ponderale di 33,3 kWh/kg rispetto ai 12 kWh/kg del cherosene. A pressione e temperatura normali, l'idrogeno ha una densità di 0,090 kg/m³. A 700 bar (700 volte la normale pressione atmosferica), la densità dell'idrogeno è di 42 kg/m³, consentendo a un serbatoio da 125 litri di immagazzinare 5 kg di idrogeno. A -252,87°C e 1,013 bar, l'idrogeno liquido ha una densità vicina a 71 kg/m³, consentendo a un serbatoio da 75 litri di immagazzinare 5 kg di idrogeno. Lo stoccaggio dell’idrogeno liquido in serbatoi a bassa temperatura aiuta a ridurre ulteriormente il volume.

• 3000 litri di idrogeno gassoso a temperatura e pressione normali equivalgono in energia a 1 litro di cherosene per aviazione.

• 6 litri di idrogeno gassoso a 700 bar equivalgono in termini di energia a 1 litro di cherosene per aviazione.

• 4 litri (1,05 galloni) di idrogeno liquido a -252,87°C e 1,013 bar forniscono la stessa energia di 1 litro di cherosene per aviazione.

Da questi dati risulta chiaro che lo stoccaggio dell’idrogeno liquido (-252,87°C) richiede il volume del serbatoio di stoccaggio più piccolo. I volumi dei serbatoi più piccoli sono più facili da integrare nella forma aerodinamica di un aereo.

Principali problemi tecnici dei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno liquido a bassa temperatura (-252,87 °C):

1. Mantenere l'idrogeno liquido del serbatoio al di sotto di -253°C:Attualmente viene utilizzata una struttura isolata sotto vuoto tra i serbatoi interno ed esterno. Il serbatoio interno è realizzato in compositi di resina rinforzata con fibra di carbonio, mentre il serbatoio esterno contiene più strati di isolamento speciale.

2. Installazione e manutenzione dei sistemi interni nel serbatoio:La sfida di installare e mantenere tubazioni e componenti del sistema all'interno del serbatoio se si utilizza l'attuale processo di avvolgimento della fibra.

3. Selezione dei materiali per il serbatoio e i suoi componenti interni:L'impatto dell'ambiente a bassa temperatura (-252,87°C) sui materiali utilizzati per il serbatoio e i suoi componenti interni.

4. Tecniche di prova a bassa temperatura e tecnologie di gestione delle perdite di carburante.

5. Resistente a decolli e atterraggi frequenti:Il serbatoio dell'idrogeno deve resistere a circa 20.000 decolli e atterraggi.

Impatto sulla struttura dell'aeromobile

I serbatoi del carburante nella struttura alare di un aereo sono cavità utilizzate per immagazzinare il carburante. Un serbatoio alare dell'A320 può immagazzinare circa 20 tonnellate di cherosene per aviazione (simile per Boeing 737 e COMAC C919). Sostituendo il cherosene con l'idrogeno liquido, un serbatoio cilindrico di idrogeno liquido da 94 m³ poteva essere installato solo nella fusoliera posteriore, richiedendo un significativo allungamento della fusoliera. La fusoliera posteriore è di forma conica con un diametro massimo inferiore a 4 m. Estendere semplicemente la fusoliera per ospitare un serbatoio da 94 m³ non è pratico; pertanto anche il diametro della fusoliera deve essere aumentato.

Nel nuovo design dell'A320, nella fusoliera posteriore sono installati un serbatoio rotondo e uno conico. Tuttavia, non è ancora chiaro se il diametro della fusoliera verrà aumentato, anche se è probabile. Il Regno Unito ha presentato un progetto di aereo civile alimentato a idrogeno liquido, con il modello a fusoliera stretta “FZN-1E” che sostituirà l’attuale A320. Questo nuovo design estende la fusoliera di 10 m, aumenta il diametro di 1 m, ha una disposizione della cabina a doppio corridoio, ali ridisegnate, aggiunta"aerei anteriori"sul muso e motori montati sulla coda.

Progresso

I motori per aerei civili sono di due tipi: motori turboelica e motori turbogetto. Per gli aerei con motori turboelica, l’idrogeno genera elettricità tramite celle a combustibile che alimentano i generatori che azionano le eliche. Questo tipo di motore è installato principalmente su aerei regionali da 10 a 70 posti e piccoli aerei dell'aviazione generale. La ricerca iniziale sull'idrogeno è iniziata con questi tipi di aeromobili. Il 12 aprile l’aereo tedesco a idrogeno-elettrico a 4 posti “HY-4” ha volato con successo da Stoccarda a Friedrichshafen. Entro la fine dell’anno, potremmo vedere nel cielo gli aerei a idrogeno “Dornier” da 19 posti, “Q-400” da 75 posti e “ATR72-600”. Nell'aprile 1988, l'Unione Sovietica fece testare un Tu-155 modificato con un motore turbogetto a idrogeno liquido. Dopo la dissoluzione dell'Unione Sovietica, la Russia non ha portato avanti questa ricerca.

Attualmente, solo quattro aziende a livello globale producono e sviluppano aerei civili con oltre 100 posti: Boeing, Airbus, COMAC e Russia. Secondo un recente rapporto dei media stranieri, solo Boeing e Airbus stanno conducendo ricerche sull’applicazione dell’idrogeno liquido agli aeromobili civili. Il progetto della Boeing, condotto oltre un decennio fa su un piccolo"Dimona"aliante ad elica, era preliminare. Airbus è in vantaggio, avendo iniziato i test di volo ad alta quota dei motori turbofan alimentati a idrogeno liquido. Hanno inoltre fornito progetti preliminari per tre tipi di aeromobili: aerei a elica, aerei da 150 posti e aerei a fusoliera larga. Maggiori informazioni sono disponibili per l’aereo da 150 posti, che è destinato a sostituire l’A320 a corridoio singolo da 150 posti, presente sul mercato da quasi 40 anni. Airbus prevede di lanciare a"nuovo A320"tra il 2030 e il 2035. Il nuovo velivolo sarà dotato di un"albatro"configurazione aerodinamica con proporzioni ultra elevate, estremità alari pieghevoli e sbattenti e nessuna aletta della carenatura. I materiali utilizzati saranno compositi in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio termoindurente per le ali e compositi in fibra di carbonio termoplastica ad alte prestazioni per la fusoliera. Questo nuovo velivolo utilizzerà idrogeno liquido al posto del cherosene per aviazione, con l’obiettivo di progettazione e produzione di produrre 70-100 velivoli al mese. Airbus è molto più avanti di Boeing nello sviluppo di aerei alimentati a idrogeno liquido (non è stata riportata alcuna informazione sulla sostituzione del 737 da parte di Boeing con idrogeno liquido).

Cosa possiamo fare?

L’utilizzo dell’idrogeno al posto dei combustibili fossili non solo risolve il problema delle emissioni di carbonio, ma ha anche un’importanza strategica per i paesi privi di risorse petrolifere. La Cina è il più grande produttore mondiale di idrogeno, con una produzione annua di circa 33 milioni di tonnellate. Diverse aziende sono coinvolte nella produzione di idrogeno liquido e la Cina è il secondo produttore di fibra di carbonio a livello globale. Pertanto, lo sviluppo e la produzione di serbatoi compositi di stoccaggio dell’idrogeno hanno una solida base materiale.

I diversi serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno liquido del settore aerospaziale e aeronautico discussi in questo articolo dimostrano che i serbatoi di stoccaggio sono progettati e realizzati per soddisfare le esigenze specifiche e gli spazi strutturali di vari prodotti. Attualmente, molti prodotti industriali utilizzano ancora combustibili fossili o elettricità di rete. Questi possono prendere in considerazione il passaggio all’energia a idrogeno. C’è una vasta gamma di prodotti da sviluppare nel campo dello stoccaggio dell’idrogeno e molti compiti ci aspettano.

L'accuratezza di alcuni dati contenuti in questo articolo, provenienti da Internet, è stata ripetutamente verificata. Questi dati possono essere utilizzati per stimare le dimensioni di progettazione iniziali e la capacità dei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno.