Trong bước tiến lớn hướng tới ngành hàng không không phát thải, các nhà nghiên cứu tại trường kỹ thuật FAMU-FSU, Hoa Kỳ thiết kế hệ thống mới lưu trữ và vậ chuyển hydro lỏng, cung cấp năng lượng cho máy bay trong tương lai. Được công bố trên tạp chí Applied Energy, nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế hệ thống cho máy bay hybrid-điện chở 100 hành khách.
Thiết kế sáng tạo của họ giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật cùng lúc, cho phép hydro vừa là nhiên liệu sạch, vừa là chất làm mát tích hợp cho hệ thống điện trên máy bay điện thế hệ tiếp theo. Thiết kế mới tích hợp pin nhiên liệu hydro với máy phát điện siêu dẫn chạy bằng turbine hydro.
Các nhà nghiên cứu tạo ra một hệ thống lưu trữ hydro lỏng hiệu quả, cung cấp an toàn cho toàn bộ máy bay và sử dụng nó để làm mát các bộ phận quan trọng trên máy bay, đồng thời đáp ứng nhu cầu năng lượng của máy bay trong quá trình cất cánh, bay hành trình và hạ cánh.
Hydro được xem là nhiên liệu sạch đầy hứa hẹn cho ngành hàng không, vì nó chứa nhiều năng lượng hơn trên một kilogram so với nhiên liệu phản lực thông thường và không thải carbon dioxide khi sử dụng. Nhưng hydro cần phải lưu trữ dưới dạng chất lỏng ở nhiệt độ cực lạnh -253°C. Điều này là thách thức kỹ thuật đáng kể, đặc biệt là ứng dụng trên máy bay.
Nhóm FAMU-FSU giải quyết thách thức này thông qua việc tối ưu hóa thiết kế bình chứa hydro và hệ thống xung quanh. Họ đưa ra chỉ số trọng lượng mới, so sánh trọng lượng của nhiên liệu hydro có thể sử dụng trên tổng trọng lượng hệ thống nhiên liệu, gồm tất cả thành phần của hệ thống như hydro, cấu trúc bình chứa, lớp cách nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, máy bơm...
Thông qua việc tối ưu hóa ở cấp độ hệ thống, nhóm xác định được cấu hình đạt chỉ số trọng lượng đáng chú ý là 0,62. Điều này có nghĩa là 62% tổng trọng lượng của hệ thống là nhiên liệu hydro có thể sử dụng được, một tiến bộ đáng kể so với các thiết kế thông thường, có thể đẩy nhanh triển khai hydro thương mại trên máy bay.
Một tính năng nổi bật của thiết kế là cách sử dụng hydro lạnh để quản lý nhiệt. Các bộ trao đổi nhiệt hoạt động theo trình tự được sắp xếp cẩn thận để tối đa hóa hiệu quả. Khi hydro chảy qua hệ thống, nó đi qua một loạt bộ trao đổi nhiệt. Trước tiên, nó làm mát các thành phần lạnh hiệu suất cao như cáp siêu dẫn và máy phát điện.
Sau đó, nó hấp thụ nhiệt từ các thành phần có nhiệt độ cao hơn, như động cơ điện, ổ đĩa động cơ và thiết bị điện tử. Cuối cùng, ngay trước khi vào pin nhiên liệu và turbine, nó được làm ấm đến nhiệt độ phù hợp để sử dụng làm nhiên liệu tối ưu.
Việc cung cấp hydro lỏng trên máy bay đặt ra thách thức lớn, vì dùng máy bơm cơ học làm tăng thêm trọng lượng và rủi ro tiềm ẩn trong điều kiện đông lạnh. Nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống không cần bơm, dùng áp suất bình chứa để kiểm soát dòng chảy hydro, điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên nhu cầu điện của máy bay bằng cảm biến áp suất.
Các mô phỏng cho thấy, hệ thống có thể cung cấp hydro với tốc độ tới 0,25 kilogram mỗi giây, đủ để đáp ứng nhu cầu điện 16,2 megawatt trong quá trình cất cánh hoặc các quy trình bay vòng khẩn cấp, các giai đoạn quan trọng đòi hỏi công suất đầu ra tối đa.
Hệ thống tất cả trong một này chứng minh hydro có thể là giải pháp sạch, hiệu quả và thiết thực cho máy bay trong tương lai. Bên cạnh tập trung vào tối ưu hóa thiết kế và mô phỏng hệ thống, nhóm nghiên cứu đang chuẩn bị cho giai đoạn quan trọng tiếp theo là xác thực thử nghiệm.
