CC BY
1125РАСЕ\Л№Г
Использование водорода в космосе: прошлое, настоящее, будущее
Юницкий А.Э.
Беларусь, г. Минск, доктор философии транспорта,
ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»
Василевич В.В.
Беларусь, г. Минск,
управление перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»
Лукша В.Л.
Беларусь, г. Минск, энерготехнологическое бюро
управления перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»
206
УДК 538.913
99
Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода, а технология использования и устройство систем преобразования внутренней энергии водорода в электрическую отходят на второй. Описаны следующие физические методы хранения водорода: в газообразном состоянии под давлением; в жидком состоянии; в виде гидридов; в микросферах; в капиллярных структурах. Рассмотрен вопрос актуальности потребления водородной энергии применительно к общепланетарному транспортному средству (ОТС); представлены основные свойства водорода.
Ключевые слова:
водород, гидрид, микросфера, топливо, хладагент, хранение водорода, энергия.
Введение
Общепланетарное транспортное средство (ОТС) инженера А.Э. Юницкого - геокосмическая транспортно-инфраструктурная система многоразового использования для безракетного освоения ближнего космоса с целью создания и функционирования околоземной космической индустрии. Уже первый запуск ОТС позволит сформировать базовый транспортно-инфраструктурный и энергоинформационный комплекс как фундамент для основания на заданной высоте космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита») [1].
ОТС обеспечит доставку людей и грузов с Земли к модулям КИО «Орбита». С КИО «Орбита» космические аппараты смогут стартовать к объектам Солнечной системы, например на Луну и Марс. Самым затратным этапом в освоении космического пространства является выведение грузов на околоземную орбиту. ОТС способно решить данную проблему с минимальными энергозатратами. Один рейс ОТС заменит миллион запусков тяжёлых ракет типа американских «Спейс шаттлов» [1].
При создании математической модели общепланетарного транспортного средства [2] рассматривались необходимые параметры ОТС общепланетного масштаба: функция скорости; силы, действующие на ОТС при взлёте; затраты электроэнергии на разгон ротора на Земле. Для стабильного полёта и фиксации на заданной орбите
применялись различные методики и варианты. Наиболее оптимальным с точки зрения исполнимости и энергоэффективности стал вариант с последовательным преобразованием кинетической энергии первого маховика в энергию второго.
Энергия, полученная в результате рекуперативного торможения ленточного маховика № 1, будет идти на разгон ленточного маховика № 2 в обратном направлении, однако её недостаточно для стабилизации полёта из-за потерь энергии в системе рекуперации. Дополнительное количество энергии может быть выработано благодаря сжиганию на борту ОТС водорода (как наиболее энергоёмкого носителя) в топливных элементах. В процессе преобразования линейными двигателями кинетической энергии ленточного маховика № 1 в электрическую, а также во время обратного преобразования электрической энергии в кинетическую ленточного маховика № 2 система понесёт потери в количестве 1,148 ГДж на каждый метр длины ОТС [2]. Удельная теплота сгорания водорода - примерно 140 МДж/кг. Если принимать КПД водородного топливного элемента около 50 %, то на каждый метр длины ОТС потребуется сжечь 16,4 кг водорода, на что понадобится расходовать 131,2 кг кислорода. Они входят в состав балласта, который будет загружен в грузовые отсеки ОТС.
Для обеспечения ОТС необходимым количеством водорода важно решить задачу хранения данного элемента, его использования и получения.
В статье представлен обзор различных систем хранения водорода (в том числе перспективных), проводится их сравнение по состоянию на сегодняшний день и оценивается возможность задействования на ОТС и КИО «Орбита». Рассматриваются также вопросы применения водорода на борту ОТС и в модулях КИО «Орбита», заправки космических транспортных средств, получения водорода в космосе и транспортировки его на Землю в качестве экологически чистого источника энергии.
Хранение водорода на борту ОТС и в модулях КИО «Орбита»
Системы хранения водорода имеют отличительные особенности, связанные с тем, что водород при нормальных условиях характеризуется очень низкой плотностью (0,0898 кг/м3) и, соответственно, занимает большой объём. Для того чтобы увеличить плотность и уменьшить заполняемый объём, водород сжижают, понижая температуру до криогенных значений, повышают давление, используют гидриды, многие из которых активны на воздухе или в присутствии воды. К системам хранения предъявляются высокие требования по обеспечению надёжности и безопасности.
Для ОТС перспективными могут быть системы хранения водорода: в газообразном виде в резервуарах высокого
давления; в жидком состоянии; в виде гидридов; в микросферах; в криогенных сосудах; в капиллярных структурах.
Свойства систем хранения водорода определяют следующие параметры: объёмная плотность (кг/м3) - отношение массы водорода к его объёму; гравиметрическая плотность (масс. %) - процент массы водорода к массе системы хранения; рабочее давление (МПа); рабочая температура (°С); безопасность хранения.
Хранение газообразного водорода под давлением
Технология хранения водорода под давлением используется давно, и она хорошо отработана. Плюс данной технологии - отсутствие энергетических затрат на отбор газа.
При атмосферном давлении и комнатной температуре килограмм водорода в свободном состоянии занимает 11,12 м3. Для уменьшения объёма водород должен быть компримирован. В соответствии с уравнением состояния идеального газа (1), чем больше давление газа, тем меньше занимаемый им объём:
РУ = пИТ,
(1)
где Р- давление водорода;
V- объём водорода;
п- количество водорода (моль);
Т-температура; газовая постоянная.
Хранение газообразного водорода во многом подобно хранению природного газа. В случае с водородом специальные требования предъявляются к используемым материалам: они должны быть в малой степени подвержены охрупчиванию под воздействием водорода. В одном обычном стальном баллоне объёмом 40 л, заполненном водородом под давлением 15 МПа, содержится всего 540 г водорода. Плотность упаковки равна 13,31 кг/м3. Применение специальных баллонов позволяет увеличить данное значение. Изменение давления до 40 МПа повышает содержание водорода в 40-литровом баллоне до 1440 г. Созданы системы хранения водорода в титановых баллонах, работающих при таком давлении [3].
Самые лучшие характеристики имеют композитные баллоны, состоящие из внутреннего герметизирующего слоя плотного полимера с обмоткой из углеродного волокна, поверх которой размещается слой стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Из композитных материалов, упрочнённых углеродными волокнами, разработаны резервуары, выдерживающие до 70 МПа (62,1 кг/м3). Срок службы подобных баллонов достигает 15 лет.
Хранение жидкого водорода
Преимущество хранения жидкого водорода в отличие от газообразного - большая объёмная плотность (70,811 кг/ м3]. Однако к материалам предъявляются жёсткие требования по холодостойкости (-253 °С), также необходима эффективная изоляция, постоянное охлаждение. Перед заполнением жидким водородом сосуды важно предварительно охладить, что приводит к существенному расходу водорода. Ещё одна проблема - потери на испарение. Испаряющийся водород должен использоваться в топливных элементах или собираться в металлическом гидриде.
Ожижение водорода - энергоёмкий процесс. Резервуары для хранения жидкого водорода более сложные по сравнению с сосудами, предназначенными для хранения других криогенных жидких веществ. Система должна быть оснащена предохранительными клапанами, а резервуары -специальными устройствами загрузки и выгрузки жидкого водорода. Повышенные требования предписываются к системам теплоизоляции. Полностью избежать потерь на испарение не удастся, какой бы ни была оптимальной теплоизоляция.
Хранение водорода в жидком виде на борту ОТС и в модулях КИО «Орбита» имеет особенность, связанную с возможностью обеспечить низкие температуры, использовав холод конструкций, расположенных на теневой стороне космических объектов.
Хранение водорода в виде гидридов
Гидриды - соединения водорода с металлами и интер-металлидами (интерметаллическими соединениями). Хранение водорода в гидридной форме обладает положительными моментами, в частности нет необходимости создавать ёмкости, имеющие сложную технологию изготовления и работающие под высоким давлением или при низких криогенных температурах.
При выборе систем хранения водорода на базе гидридов нужно обратить внимание на следующие характеристики: температуру диссоциации (20 °С), давление диссоциации, теплоотдачу при образовании гидрида, обратимость процессов сорбции/десорбции, быстроту процессов гидрирования/дегидрирования, цикличность, стоимость, наличие инфраструктуры для заправки, безопасность в период эксплуатации. Исследования и разработки ведутся с несколькими типами гидридов [4]:
• простые (бинарные) гидриды металлов, например гидрид магния МдН2. Исследовать его начали около 40 лет назад. Отличается высокой объёмной (109 кг Н2/м3) и массовой (7,6 масс. % Н2) плотностью;
• гидриды интерметаллических соединений, например Т1Д 1_а1\П5, СеЩг. Интерметаллид - химическое соединение из двух или более металлов (рисунок 1);
• комплексные гидриды лёгких металлов. К ним относятся алюмогидриды (1_1Д!Н4), борогидриды (Мд(ВН4)2),
4
3,5
Рисунок 1 - Водородная ёмкость гидридов интерметаллидов (масс. % H2) [4]
гидриды на базе амидов металлов (неорганические соединения, содержащие ионы NH-, являются производными аммиака, у которого атом водорода замещён на атом металла, например LiNH2).
На рисунке 2 представлены показатели хранения водорода в различных гидридах. Приведена объёмная и гравиметрическая плотность. Для сравнения даны показатели для жидкого и газообразного водорода под давлением, хранения энергии в Li-ion батареях.
Гидриды имеют лучшие параметры по гравиметрической и объёмной плотности водорода, а также превышают показатели для жидкого и газообразного водорода под давлением (рисунок 2). В частности, содержание H2 в KBH4 составляет 83 кг/м3 и 7,4 масс. %; в NaBH4 - 112 кг/м3 и 10,5 масс. %; в NH3BH3 - 145 кг/м3 и 19,5 масс. %.
Более высокая гравиметрическая и объёмная плотность водорода позволяет уменьшить объём и массу систем хранения. Отсутствуют требования к системам, работающим под давлением или при низких криогенных температурах. Нет затрат на сжижение и сжатие водорода.
Удельная плотность энергии, кВт-ч/кг
180 160 -140 -120 -100 80 60 40 20 0
0
5
Т 20
Т 25
Гравиметрическая плотность, масс. % Н2 Рисунок 2 - Объёмная и гравиметрическая плотность систем хранения водорода [4]
Использование гидридов менее опасно. Разрушение баллона высокого давления несёт гораздо большую угрозу, чем повреждение сосуда с гидридом водорода.
Абсорбационные свойства интерметаллидов приведены в таблице 1.
Для гидридов характерно протекание процессов спонтанного гидролиза/окисления на воздухе, а для наиболее активных - самовоспламенение. Недостатком многих гидридов является возможность образования токсичных соединений, например бороводородов из боргидридов. Такие гидриды нежелательно использовать в системах хранения водорода.
Извлекать водород из гидридов можно двумя методами: гидролизом, при котором происходит разложение гидрида и образуются новые соединения; диссоциацией -разделением молекулярных комплексов на несколько молекулярных элементов.
С помощью гидролиза получается больше водорода из гидрида, однако этот процесс необратим [5].
Хранение водорода
в инкапсулированном состоянии в микросферах
Разрабатывается способ хранения водорода в стеклянных микросферах. Диаметр микросферы составляет 5-200 мкм. Стенки этих ёмкостей содержат множество пор поперечником от 10 до 1000 ангстрем, толщина стенок -0,5-5 мкм. Микросферы под давлением и при температуре 200-400 °С заполняются водородом, который диффундирует через стенки сосуда, а после охлаждения остаётся там под давлением. При нагревании микросфер до 200-400 °С происходит выделение водорода из микросфер.
В системе хранения с применением микросфер гравиметрическая плотность водорода достигает 11-12 масс. %. Теоретически возможно давление водорода в микросферах
около 85-100 МПа. Потери водорода диффузией через стенки микросфер составляют 0,5 % в сутки. Ведутся разработки более прочных стеклянных микросфер с металлическим покрытием внешней поверхности диаметром 50-1000 мкм и толщиной стенки 0,6-7 мкм. Такое покрытие снизит диффузионные потери водорода в десятки раз.
Методы хранения водорода в инкапсулированном состоянии находятся на начальной стадии изучения. В экспериментах достигнуто значение 2,2 масс. %, давление до 10 МПа не приводит к разрушению микросфер.
Данный способ потенциально безопасный, водород может храниться при комнатной температуре достаточно длительное время. Недостатки метода - необходимость нагрева микросфер в режиме заправки и отбора водорода, что требует дополнительных энергозатрат.
Таблица 1 - Свойства абсорбции/десорбции водорода некоторыми интерметаллидами
Материал T /T T абс' дес Рабс/Рд*. МПа ГабДес мин Стабильносщ циклы Максимальная масса Н2 %
La0gCe005Nd 100 0.5-1/0.024 б^/ад 20 0i95
Zr(Cr08Mo)2 120 3/0/1 б^/ад 40 0i99
Mloi85Caoii5Ni5 25 3/1 60/60 100 1/1
LaNI48Sno,2 80 4А3-0А 60/60 100 1/16
TioAi5Mnii6 25 1/0/1 60/60 100 1i3
MmNi46Al0i4 25 3/2i5 4/5 11 1i3
Ti11CrMn 23 3i3/0/l 1/5 1000 18
Ti43i5V4gFei5 20/300 10/1 20/25 50 3i9
Хранение водорода в капиллярных структурах
Перспективной системой хранения водорода являются углеродные нанотрубки. Они могут накапливать водород в своей структуре и обладают высокой сорбционной способностью (таблица 2). Водород абсорбируется в углеродной структуре между углеродными нанотрубками. Однослойные углеродные нанотрубки, параллельно упакованные в треугольную решётку, наиболее приемлемы для создания систем хранения водорода. Расстояние между трубками составляет 0,337 нм. Такая упаковка нанотрубок образует значительное количество полостей в углеродной структуре и увеличивает сорбционные свойства материала. Размер появившихся полостей соизмерим с размером молекулы водорода.
Таблица 2 - Характеристики сорбции водорода углеродными нанотрубками [6]
Давление водорода, МПа Температура, °С Гравиметрическая плотность, масс. %
0,04 -140 5-10
0,1 26 6,5-7
5-10 -196™ +27 3,5
7,18 -193 8,25
10-12 27 4,2
Для увеличения абсорбции создают высокое давление водорода, обеспечивающее проникновение его молекул в углеродную структуру.
Нагревание полученной углеродной структуры приводит к десорбции водорода. Важной задачей при разработке систем хранения на основе углеродных нанотрубок является повышение водород-углеродного соотношения [4].
Сравнение систем хранения водорода
В таблице 3 сведены параметры различных систем хранения водорода.
Анализ рассмотренных систем хранения показывает, что представленные методы имеют свои преимущества и недостатки. В сильно сжатом газообразном виде плотность упаковки является недостаточной, однако система хранения дешевле и загрузка/выгрузка не требует дополнительного оборудования. При хранении водорода в жидком виде плотность упаковки значительно выше, хотя стоимость и сложность оборудования для хранения, а также загрузки/выгрузки и испарения очень большая. В случае применения гидридов не возникает серьёзной опасности, однако системы хранения не поддерживают многократную перезагрузку водородом. Не разработан оптимальный способ хранения водорода, совмещающий в себе высокую плотность упаковки и безопасность, а также поддерживающий многократную перезаправку. Из доступных на сегодняшний день решений хранения водорода лучшими показателями для ОТС обладает система хранения водорода в жидком виде в криогенных сосудах.
Получение водорода в модулях КИО «Орбита»
Электролиз воды
Применение солнечных панелей на модулях КИО «Орбита» позволит иметь необходимый источник электрической энергии. Использование воды (в том числе морской) на борту ОТС с последующим её электролизом в модулях КИО «Орбита» сможет удовлетворить потребности астро-инженерной транспортной системы в кислороде и водороде.
Для разложения воды достаточно тока, обеспечивающегося напряжением свыше 1,23 В. Чистая вода практически не проводит электрический ток, поэтому в неё добавляют гидроксид калия (КОН) или гидроксид натрия (ИаОН) в качестве электролита.
Эффективность водородного генератора определяется отношением энергии, необходимой для получения килограмма водорода, к теплоте сгорания водорода 142 МДж/кг. Чем меньше данное отношение, тем выше КПД генератора.
Таблица 3 - Параметры систем хранения водорода
Метод хранения водорода Давление хранения, МПа Температура хранения, °С Объёмная плотность, кг/м3 Гравиметрическая плотность, масс. % Доступность технологии
Газообразный 70 0 62,1 7-9 Доступно
Жидкий 0,1 -253 70,81 7-12 Доступно
Гидрид 1_ШН4 + БЮ2 5 20 145 19,5 В разработке
Микросферы 10,3 20 7-10 11-12 В разработке
Капилляры 0,2 20 8-21 5 В разработке
Электролизёр со 100-процентной эффективностью будет потреблять 39,4 кВт-ч (142 МДж/кг) на получение килограмма водорода.
КПД обычного щелочного электролизёра - около 70 %. Электролизёры с протонообменной мембраной более эффективные, но и более дорогие (они используют платиновые катализаторы). При значительных объёмах производства водорода КПД электролизёра составляет 80-86 %.
Установка солнечных панелей в космосе для получения электрической энергии имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества: постоянное присутствие Солнца; более высокая плотность электромагнитного потока; отсутствие атмосферных помех; независимость от погоды. Недостатки: ускоренная деградация панелей (происходит под влиянием жёсткого радиационного излучения); необходимость многократного дублирования электрических сетей; повышенные требования к механической защите (серьёзные повреждения панелям способны нанести даже микрометеориты).
Электролиз морской воды характеризуется некоторыми сложностями. Атомы хлора (ЫаО!) создают серьёзную проблему при данном процессе, поскольку вызывают коррозию анода. Морскую воду можно очистить, однако это потребует дополнительной энергии.
Команда из Стэнфордского университета разработала конструкцию электродов, устойчивых к морской воде [7]. Особенность электродов, которые устойчивы к коррозии в ходе электролитического разложения воды, кроется в их структуре. Учёные сформировали на поверхности никеля губчатый слой, обработали его серой (никель при этом покрылся слоем сульфида никеля), а потом нанесли
покрытие из сплава никеля с железом. Полученные отрицательно заряженные сульфатные и карбонатные молекулы в слое катализатора отталкивают отрицательно заряженные атомы хлора и обеспечивают работу электрода без коррозии.
Испытания показали, что данная слоистая структура с микроскопическими порами внутри выдерживает воздействие агрессивных ионов хлора на протяжении тысячи часов и способна пропускать достаточно высокие токи. Этот приём позволяет получать водород путём электролиза солёной воды с такой же эффективностью, как и с помощью промышленного устройства, работающего на пресной воде.
Фотокаталитическое разложение воды
Одним из перспективных методов получения водорода из воды является фотокаталитическое разложение водно-метанольного раствора с применением полупроводниковых фотокатализаторов 1\1-1_а/ТЮ2 [3]. Подобный способ имеет высокую актуальность; разрабатываются и исследуются чувствительные к видимому свету фотокатализаторы как на молекулярном, так и нанометровом уровнях.
Метод будет особенно интересен для реализации в модулях КИО «Орбита». На орбите интенсивность солнечного света существенно выше, так как в атмосфере Земли достаточно большая часть света поглощается или отражается по пути к поверхности.
Практически все существующие фотокатализаторы не могут работать в неочищенной морской воде, они быстро приходят в негодность из-за высокой концентрации солей и наличия в воде материалов биологического происхождения.
Получение сжиженного водорода
Газообразный водород (даже в сильно сжатом состоянии) занимает значительный объём. С целью более плотной упаковки водорода следует его сжижать, для чего необходимо снизить температуру водорода до -253 °С.
В условиях космоса целесообразно применять пассивные методы сжижения газов с минимальным использованием силовых динамических агрегатов. Для охлаждения водорода подойдёт холод конструкций, расположенных на теневой стороне модулей КИО «Орбита». С помощью листового алюминия нужно организовать затенение различных элементов криогенной установки не только от Солнца, но и от Земли, а также друг от друга (известно, что на поверхности космических объектов, находящихся в тени Земли, температура опускается до -163 °С).
Дальнейшее охлаждение и получение жидкого водорода возможно в многоступенчатом холодильном цикле простого дросселирования с предварительным азотным охлаждением, адсорбционной низкотемпературной очисткой сжижаемого газа и двухступенчатой орто-пара-конверсией.
Водород тройной точки
Литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг. При -253 °С его объёмная плотность составляет 70,811 кг/м3. Можно добиться более высокой объёмной плотности - перевести жидкий водород в состояние, граничащее с тройной точкой. Тройная точка - точка пересечения кривых фазового равновесия на плоской диаграмме состояния вещества, соответствующая устойчивому равновесию трёх фаз (твёрдое, жидкое и газообразное агрегатное состояние).
Условия тройной точки для равновесного водорода: температура -259,34 °С и давление 7042 Па (0,0695 атм). При температурах несколько выше температуры тройной точки возможно получение смеси твёрдого водорода с жидким. Данная смесь представляет собой суспензию, которая называется шугообразным водородом. Водород в таком состоянии имеет максимальную объёмную плотность, на 15 % выше плотности жидкого водорода - 81,6 кг/м3.
Использование водорода и кислорода на борту ОТС и в модулях КИО «Орбита»
Водород может являться источником энергии на борту ОТС при выходе на орбиту, а также для систем стабилизации орбиты ОТС и модулей КИО «Орбита».
Перед стартом ОТС специальные криогенные баки заправляются жидкими водородом и кислородом. Проходя по системе охлаждения магнитных систем двигателей, Н2 и О2 переходят в газообразную форму. Затем они подаются в низкотемпературные топливные элементы, где генерируется электроэнергия для питания разгонных линейных двигателей. При КПД топливных элементов порядка 50 % один килограмм водорода позволяет вырабатывать около 71 МДж (19,7 кВт-ч) энергии. В результате работы топливных элементов синтезируется вода.
После выхода на околоземную орбиту вода может быть использована для нужд космического ожерелья или разложена на Н2 и О2 с помощью электролиза или фотокаталитического способа. Возможно применение кислорода в системах жизнеобеспечения ОТС и модулей КИО «Орбита». Полученные в результате электролиза
кислород и водород сжижаются и поступают в криогенные баки.
В дальнейшем жидкие водород и кислород подойдут для выработки энергии в топливных элементах при спуске ОТС с орбиты. Имеющие криогенные температуры, они также могут расходоваться в качестве высокоэффективного хладагента в системах ОТС и модулей КИО «Орбита».
Произведённые на борту модулей КИО «Орбита» жидкие водород и кислород можно транспортировать на Землю на борту ОТС и использовать для выработки экологически чистой энергии (например, в топливных элементах).
Применение водорода
для заправки космических транспортных средств
На преодоление гравитации небесных тел и разгон космических транспортных средств до космических скоростей требуется значительное количество энергии и расходование рабочего тела. Космический аппарат должен иметь на борту запас рабочего тела, отбрасывание которого меняет импульс транспортного средства.
Двухкомпонентное топливо - жидкие водород и кислород - обеспечит космическое транспортное средство энергией и рабочим телом для движения в космическом пространстве. Оба элемента можно получить в процессе электролиза воды, используя энергию Солнца. Вывод на околоземную орбиту узлов и материалов, предназначенных для сборки космического аппарата, осуществляется при помощи ОТС. Последующая сборка выполняется на борту КИО «Орбита», которое должно быть оборудовано орбитальными заправочными комплексами для снабжения водородом и кислородом космических транспортных средств.
Двухкомпонентное топливо водород-кислород втрое легче смеси керосина с кислородом, что делает его более приемлемым в свете борьбы за снижение массы космического аппарата, будь то пилотируемый корабль или спутник. Смесь водорода с кислородом, применяемая при старте с околоземной орбиты, значительно эффективнее по сравнению с другими парами «топливо - окислитель».
Выводы
и дальнейшие направления исследования
В статье рассмотрены различные системы хранения водорода, в том числе перспективные; представлены вопросы получения и использования водорода на борту ОТС и в модулях КИО «Орбита».
Наиболее оптимальным на сегодняшний день способом хранения водорода на ОТС и КИО «Орбита» является хранение в жидком виде при криогенных температурах. Данное решение обеспечит низкие температуры с помощью холода конструкций, расположенных на теневой стороне космических объектов.
Применение водорода позволит решить проблемы компенсации потерь энергии в ОТС в процессе выхода на орбиту и при его спуске на Землю если и не полностью, то хотя бы частично. При этом должны быть найдены более эффективные методы хранения жидких водорода и кислорода, потому что в рассмотренных примерах их общая масса совместно с системами хранения и сжигания превысит грузоподъёмность ОТС (250 кг на погонный метр его длины). С таким дополнительным грузом гигантский летательный аппарат просто не взлетит с планеты. Действенным средством снижения стартовой массы ОТС станет уменьшение потребности в дополнительной электрической энергии на борту и, соответственно, в загружаемой массе Н2 и 02. Подобного результата можно добиться путём максимального повышения КПД линейных электродвигателей маховиков при использовании эффекта сверхпроводимости, а также благодаря оптимизации режимов выхода ОТС на орбиту, чтобы поднять его общий КПД, например, до 99 %.
Жидкие водород и кислород, имеющие криогенные температуры, могут дополнительно задействоваться как высокоэффективный хладагент в системах ОТС и модулей КИО «Орбита» для отвода избытка тепла (к примеру, от линейных электродвигателей).
Водород применим и в качестве рабочего тела при корректировке орбиты ОТС и модулей КИО «Орбита». Возможно получение Н2 и 02 в модулях КИО «Орбита» посредством электролиза, источником необходимой энергии послужат солнечные панели. Добытый в модулях КИО «Орбита» кислород пойдёт на обеспечение жизнедеятельности космических объектов, а водород будет транспортироваться на Землю для выработки экологически чистой энергии.
Водород может быть частью двухкомпонентного топлива. Жидкие водород и кислород снабдят космические транспортные средства энергией и рабочим телом для движения в космическом пространстве.
Для решения вопроса получения и использования водорода на космических объектах необходимо в дальнейшем оценить потребность в водороде и кислороде для нужд ОТС, КИО «Орбита», космических транспортных средств, а также определить эффективность работы электролизёров, которые будут функционировать на энергии от солнечных батарей, установленных на модулях КИО «Орбита».
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/ А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
2. Юницкий, А.Э. Создание математической модели общепланетарного транспортного средства: разгон маховиков, прохождение атмосферы, выход на орбиту / А.Э. Юницкий, РА Шаршов, А.А. Абакумов //Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. /Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. -С. 77-83.
3. Dubnova, L. Photocatalytic Decomposition of Methanol-Water Solution over N-La/TiO2 Photocatalysts [Electronic resource]/L. Dubnova [et al.]//ScienceDirect. - 2018. -Mode of access: https://www.sciencedirect.com/science/ article/abs/pii/S0169433218331659. - Date of access: 05.08.2020.
4. Фатеев, В.Н. Проблемы аккумулирования и хранения водорода / В.Н. Фатеев [и др.]// Chemical Problems. -2018. - № 4 (16]. - С. 453-483.
5. Khovavko, A. Carbonaceous Nanomaterials: Production and Application. R&D of Gas Institute of NAS of Ukraine [Electronic resource] /A. Khovavko // ResearchGate. -2018. - Mode of access: https://www.researchgate.net/ publica tion/328097329_ Carbonaceous_ nan o ma terials_ production_and_application_RD_of_gas_institute_of_NAS_ of_Ukraine. - Date of access: 05.08.2020.
6. Lamari Darkrim, F. Review of Hydrogen Storage by Adsorption in Carbon Nanotubes [Electronic resource]/ F. Lamari Darkrim, P Malbrunot, G.P. Tartaglia // ScienceDirect. -2002. - Mode of access: https://www.sciencedirect.com/ science/article/abs/pii/S0360319901001033. - Date of access: 05.08.2020.
7 Yu, L. Non-Noble Metal-Nitride Based Electrocatalysts for High-Performance Alkaline Seawater Electrolysis [Electronic resource] / L. Yu [et al.] // Nature Communications. - 2019. - Mode of access: https://www.na-ture.com/articles/s41467-019-13092-7. - Date of access: 05.08.2020.
