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Jun 01, 2024

재료 과학이 수소 항공기 문제를 해결할 수 있습니까?

가스 상태 수소 저장의 유망한 대안은 주변 압력에서 극저온 탱크(21.2K/-251.8°C)에 액체 상태를 저장하는 것입니다. 크레딧: Shutterstock을 통한 Dudaeva. 선택 및 엔지니어링

가스 상태 수소 저장의 유망한 대안은 주변 압력에서 극저온 탱크(21.2K/-251.8°C)에 액체 상태를 저장하는 것입니다. 크레딧: Shutterstock을 통한 Dudaeva.

특정 첨단 소재(AdM)의 선택과 엔지니어링은 수소 항공기 설계에 중요한 역할을 합니다. 특히 중요한 것은 수소의 효율적인 저장입니다. 이를 위해서는 선택된 재료가 수소와 강한 상호작용을 갖거나 전혀 반응하지 않아야 합니다. 높은 부피 및 중량 밀도를 갖는 6가지 가역적 수소 저장 방법이 확인되었으며, 이는 고압 가스 저장, 극저온 액체 저장 및 수소가 물질에 흡수된 후 선택적으로 방출되는 흡수 저장의 세 가지 저장 유형을 모호하게 중심으로 합니다. .

고압(<20MPa) 가스 실린더는 현재 가장 널리 사용되는 수소 저장 방법입니다. 오스테나이트계 스테인리스강(상당한 양의 크롬과 니켈을 함유한 스테인리스강의 한 형태)과 알루미늄 합금이 현재까지 가장 인기 있는 이유는 다음과 같습니다. 인장 강도가 매우 높고 밀도가 상대적으로 낮을 뿐만 아니라 주변 온도에서 수소 효과(반응 및 확산)에 대한 높은 내성을 갖습니다. 강도가 등방성(모든 방향에서 동일)은 아니지만 이동형 수소 저장의 핵심 요소인 상당한 부피 밀도를 위해 최대 80MPa의 압력을 견딜 수 있도록 설계할 수 있는 경량 섬유 강화 복합 구조도 개발되었습니다. 그러나 고압 가스 저장의 중요한 문제는 부피 밀도와 중량 밀도의 반대이며, 압력을 높이면 전자는 증가하고 후자는 감소하며 그 반대도 마찬가지입니다. 현재까지는 가스 실린더만으로 충분했지만, 수소 항공기에는 새로운 설계가 필요합니다.

가스 상태 수소 저장에 대한 매우 유망한 대안 중 하나는 주변 압력에서 극저온 탱크(21.2K/-251.8°C)에 액체 상태를 저장하는 것입니다. 이는 작동 압력 감소로 인한 안전성 향상과 가압 탱크가 일반적으로 원통형 형상으로만 구축될 수 있으므로 탱크 설계 유연성 향상을 포함하여 다양한 이점을 제공합니다. 그러나 극저온 액체 저장에는 한 가지 근본적인 문제가 있습니다. 바로 비용입니다. 가장 간단한 수소 액화 방법인 줄-톰슨/린데 사이클은 여전히 ​​복잡하고 비용이 많이 듭니다. 또한 극저온에서의 보관은 복잡하며 열 누출로 인해 증발 손실이 발생할 수 있습니다. 최적의 조건(이중벽, 진공 단열 구형 듀어)에서 100m3 탱크는 일반적으로 0.2%의 일일 손실을 경험하지만, 이는 항공기에 필요할 수 있는 비최적 탱크 설계(예: 비구형 탱크)의 경우 증가할 것입니다.

덜 발달되었지만 흡수에 의한 저장도 가능합니다. 고체 표면에 대한 수소 분자의 물리흡착(끌어당김)을 포함하여 몇 가지 제안이 있습니다. 나노 구조 또는 활성탄, 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 큰 비표면적(즉, 중량 대비 표면적) 재료가 가능한 기판입니다. CNT는 분자 직경이 몇 개 미만인 튜브 공동으로 특히 관심을 끌고 있으며, 이는 전기장 중첩을 일으키고 탄소와 수소 사이의 인력을 증가시킵니다. 이에 비해 흑연의 평면 그래핀 시트는 인력이 적지만 제조가 더 쉽습니다.

수소 저장을 위한 물리흡착은 낮은 작동 압력과 재료 비용, 단순한 설계 구조로 인해 잠재력이 있지만, 작은 부피 및 중량 밀도는 중요한 단점입니다. 고체 수소를 저장하는 또 다른 방법은 승온에서 전이 금속과 반응하여 수소화물을 형성하는 것입니다. 수소는 더 많은 전기 양성 원소(예: Sc, Ti, Va)와 반응하고 시스템의 압력 변화 없이 금속 결정 구조에 위치합니다. 이로 인해 부피 수소 밀도가 매우 높아질 수 있으므로 금속 수소화물은 많은 양의 수소를 안전하고 콤팩트하게 저장할 수 있는 매우 효과적인 방법이 됩니다. 그러나 현재 달성 가능한 약 3질량%의 중량 밀도는 항공기의 제한 요소이며, 이는 경량 금속 수소화물 시스템을 설계하는 과제가 여전히 남아 있음을 의미합니다.