من تخزين الهيدروجين لوقود طيران نظيف، ابتكار جديد يغير شكل قطاع الطاقة

صمّم باحثون أمريكيون نظامًا عمليًا ومبتكرًا لتخزين الهيدروجين المسال وتوصيله بكفاءة، في خطوة تمثل نقلة نوعية في سعي قطاع الطيران نحو التخلص من الانبعاثات الكربونية، والاعتماد على الوقود النظيف.

وابتكر النظام الجديد فريق من كلية الهندسة التابعة لجامعتي فلوريدا إيه آند إم وولاية فلوريدا، حيث استطاع الباحثون معالجة "تحديات هندسية متعددة في آنٍ واحد"، ما قد يُمهّد الطريق أمام الجيل القادم من الطائرات الكهربائية.

مميزات ابتكار تخزين الهيدروجين المسال 

ويتميّز التصميم بقدرته على أداء مهام حيوية متعددة ضمن نظام واحد، من بينها تخزين الوقود، والتبريد، والتحكم في التوصيل، ويُستخدم الهيدروجين السائل ليس فقط كوقود نظيف، بل أيضًا كوسيط تبريد متكامل لأنظمة الطاقة الحيوية في الطائرات الكهربائية.

وقال البروفيسور "وي جو"، الأستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية والمؤلف المُراسل للدراسة: "كان هدفنا إنشاء نظام واحد يُدير مهام حيوية متعددة منها: تخزين الوقود، التبريد، والتحكم في التوصيل، ويُرسي هذا التصميم الأساس لأنظمة طيران هيدروجينية واقعية".

وتُقدم الدراسة التي نُشرت في مجلة Applied Energy، نظامًا قابلًا للتطوير، صُمّم خصيصًا للطائرات الكهربائية الهجينة التي تسع نحو 100 راكب، ويُظهر التصميم كيفية تخزين الهيدروجين المسال بكفاءة، ونقله بأمان، واستعماله بذكاء لتبريد الأنظمة على متن الطائرة خلال جميع مراحل الطيران.

محتويات ابتكار تخزين الهيدروجين المسال 

ويشتمل النظام على مبادلات حرارية مرتبة بعناية، تسهم في رفع الكفاءة وتقليل تعقيد الأجهزة، وخلال تدفق الهيدروجين عبر النظام، يتم أولًا تبريد المكونات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية، مثل المولدات والخطوط الفائقة التوصيل، وبعدها ينتقل لتبريد مكونات ذات درجات حرارة أعلى، مثل المحركات الكهربائية والإلكترونيات الصناعية، قبل أن يصل إلى الظروف الحرارية المثلى للدخول إلى خلايا الوقود.

وكان الهيدروجين خيارًا واعدًا كوقود طيران بديل، نظرًا لما يحتويه من طاقة عالية لكل كيلوجرام مقارنة بوقود الطائرات التقليدي، إضافة إلى ميزته في الانبعاثات المحايدة للكربون، ولكن تبقى كثافته المنخفضة وضرورة تخزينه في صورة سائل شديد البرودة (عند -253 درجة مئوية) من أكبر التحديات الهندسية أمام استخدامه في الطيران.

ولمواجهة هذا التحدي، أدخل فريق البحث مؤشرًا جديدًا يُستخدم لقياس الكفاءة الكتلية للنظام، وهو نسبة كتلة الوقود إلى إجمالي كتلة نظام الوقود، بحيث يشمل الهيدروجين نفسه، وهيكل الخزان، والعزل، والمبادلات الحرارية، والمضخات، وسوائل التشغيل.

وبفضل التحسين المنهجي لعوامل التصميم المهمة مثل ضغط التهوية وأبعاد المبادلات الحرارية، توصّل الفريق إلى تصميم يُحقق مؤشر وزن بلغ 0.62، أي أن 62% من الوزن الكلي للنظام يتكوّن من الهيدروجين القابل للاستخدام، ما يُعد إنجازًا ملحوظًا مقارنة بالتصاميم التقليدية.

أهمية ابتكار تخزين الهيدروجين المسال 

ويمثّل هذا النظام ذو الوظائف المزدوجة تطورًا كبيرًا في مجال التصميم، إذ يستبدل الحاجة إلى أنظمة تبريد مستقلة من خلال توجيه الهيدروجين الفائق البرودة عبر مبادلات حرارية موضوعة بمواقع إستراتيجية، تزيل الحرارة من المولدات والمحركات والخطوط والإلكترونيات الصناعية.

اقرأ أيضا..

مشروع عملاق في قلب أوروبا، ألمانيا تراهن على الأمونيا لتوليد الهيدروجين الأخضر

انطلاقة جديدة في عالم الشحن الأخضر، أول سفينة هيدروجين لنقل البضائع في 2025

وفي هذه العملية، يسخن الهيدروجين تدريجيًا حتى يبلغ درجة الحرارة المثلى لتشغيل خلايا الوقود والتوربينات، مما يعزز الكفاءة الكلية ويقلل من الفاقد الحراري.

وأبرزت الدراسة أيضًا التحديات الفريدة المرتبطة بـتوصيل الهيدروجين المسال داخل الطائرة، حيث أن استخدام المضخات الميكانيكية يضيف وزنًا وتعقيدًا للنظام، كما يزيد من احتمالية الأعطال في ظروف التبريد الصعبة.

ولتجاوز هذا، طوّر الفريق نظامًا خاليًا من المضخات، يعتمد على تنظيم ضغط الخزان للتحكم في تدفق الهيدروجين، ويعمل هذا النظام باستخدام طريقتين: حقن غاز هيدروجين من أسطوانات عالية الضغط لزيادة الضغط، وتنفيس بخار الهيدروجين لتقليله.

وأظهرت عمليات المحاكاة قدرة النظام على توصيل الهيدروجين بمعدل يصل إلى 0.25 كغم/ثانية، وهو معدل كافٍ لتلبية احتياجات الطاقة الكهربائية البالغة 16.2 ميجاوات، خصوصًا في مراحل حرجة مثل الإقلاع أو الدوران في حالات الطوارئ.

وأكد الباحث وي جو: "في السابق، لم يكن الناس متأكدين من كيفية نقل الهيدروجين المسال بفاعلية في الطائرة، أو إذا كان بالإمكان استخدامه أيضًا لتبريد مكونات نظام الطاقة نحن لم نثبت فقط أن ذلك ممكن، بل أظهرنا أيضًا أهمية تحسين التصميم على مستوى النظام بالكامل".

ورغم تركيز هذه الدراسة على تصميم ومحاكاة النظام، فإن الخطوة التالية ستكون التحقق التجريبي، إذ يُخطّط فريق البحث لبناء نموذج أولي واختباره في مركز أنظمة الطاقة المتقدمة بجامعة ولاية فلوريدا، وهي خطوة حاسمة على طريق التحول إلى التطبيق التجاري.