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Jun 01, 2024

Kann die Materialwissenschaft die Herausforderungen von Wasserstoffflugzeugen lösen?

Eine vielversprechende Alternative zur gasförmigen Wasserstoffspeicherung ist die Flüssigspeicherung in Kryotanks (21,2 K/-251,8 °C) bei Umgebungsdruck. Bildnachweis: Dudaeva über Shutterstock. Die Auswahl und Entwicklung von

Eine vielversprechende Alternative zur gasförmigen Wasserstoffspeicherung ist die Flüssigspeicherung in Kryotanks (21,2 K/-251,8 °C) bei Umgebungsdruck. Bildnachweis: Dudaeva über Shutterstock.

Die Auswahl und Konstruktion spezifischer fortschrittlicher Materialien (AdMs) spielen eine wichtige Rolle bei der Konstruktion von Wasserstoffflugzeugen. Besonders wichtig ist die effiziente Speicherung von Wasserstoff, die erfordert, dass das ausgewählte Material entweder eine starke Wechselwirkung mit Wasserstoff eingeht oder überhaupt keine Reaktion eingeht. Es wurden sechs Methoden zur reversiblen Wasserstoffspeicherung mit hoher volumetrischer und gravimetrischer Dichte identifiziert, die sich vage auf drei Speichertypen konzentrieren: Hochdruckgasspeicherung, kryogene Flüssigkeitsspeicherung und absorbierte Speicherung, bei der Wasserstoff in ein Material absorbiert und dann selektiv freigesetzt wird .

Hochdruckgasflaschen (<20 MPa) sind derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstoffspeicherung, wobei austenitische Edelstähle – eine Form von Edelstahl, die erhebliche Mengen an Chrom und Nickel enthält – und Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer Eigenschaften bisher am beliebtesten sind sehr hohe Zugfestigkeiten und relativ geringe Dichten sowie ihre hohe Immunität gegenüber Wasserstoffeffekten (Reaktion und Diffusion) bei Umgebungstemperaturen. Es wurden auch leichte faserverstärkte Verbundstrukturen entwickelt, die zwar keine isotrope (in jede Richtung gleiche) Festigkeit aufweisen, aber so ausgelegt werden können, dass sie Drücken von bis zu 80 MPa standhalten, was eine erhebliche Volumendichte ergibt – ein Schlüsselfaktor bei der mobilen Wasserstoffspeicherung. Ein kritisches Problem bei der Hochdruck-Gasspeicherung ist jedoch der Gegensatz von volumetrischer und gravimetrischer Dichte, wobei eine Erhöhung des Drucks die erstere erhöht, die letztere jedoch verringert und umgekehrt. Während bisher Gasflaschen ausreichten, sind für Wasserstoffflugzeuge neue Konstruktionen erforderlich.

Eine solche vielversprechende Alternative zur gasförmigen Wasserstoffspeicherung ist die Flüssigspeicherung in Kryotanks (21,2 K/-251,8 °C) bei Umgebungsdruck. Dies würde eine Vielzahl von Vorteilen mit sich bringen, darunter eine verbesserte Sicherheit aufgrund reduzierter Betriebsdrücke und eine größere Flexibilität bei der Tankkonstruktion, da Drucktanks im Allgemeinen nur in zylindrischen Geometrien gebaut werden können. Bei der kryogenen Flüssigkeitsspeicherung gibt es jedoch ein grundlegendes Problem: die Kosten. Der Joule-Thompson/Linde-Zyklus, die einfachste Methode zur Wasserstoffverflüssigung, ist immer noch kompliziert und damit teuer. Darüber hinaus ist die Lagerung bei kryogenen Temperaturen komplex und durch Wärmelecks kann es zu Boil-Off-Verlusten kommen. Unter optimalen Bedingungen (ein doppelwandiges, vakuumisoliertes kugelförmiges Dewar-Gefäß) würde ein 100-m³-Tank typischerweise einen täglichen Verlust von 0,2 % erleiden, obwohl dieser bei nicht optimalen Tankkonstruktionen (z. B. nicht kugelförmigen Tanks), die wahrscheinlich für Flugzeuge erforderlich sind, ansteigen wird.

Obwohl weniger entwickelt, ist auch eine Speicherung durch Absorption möglich. Es gibt mehrere Vorschläge, einschließlich der Physisorption (Anziehung) von Wasserstoffmolekülen auf der Oberfläche eines Festkörpers. Materialien mit großer spezifischer Oberfläche (d. h. Oberfläche-zu-Gewicht) wie nanostrukturierter oder aktivierter Kohlenstoff und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind mögliche Substrate. CNTs sind von besonderem Interesse, da der Röhrenhohlraum eine Breite von weniger als einigen Moleküldurchmessern aufweist, was zu Feldüberlappungen und einer erhöhten Anziehungskraft zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff führt. Im Vergleich dazu haben die planaren Graphenschichten aus Graphit eine geringere Anziehungskraft, sind aber einfacher herzustellen.

Die Physisorption zur Wasserstoffspeicherung hat aufgrund des niedrigen Betriebsdrucks und der Materialkosten sowie der einfachen Designarchitektur Potenzial, die geringen volumetrischen und gravimetrischen Dichten sind jedoch erhebliche Nachteile. Eine weitere Methode zur Speicherung von festem Wasserstoff ist die Reaktion mit Übergangsmetallen bei erhöhten Temperaturen zur Bildung von Hydriden. Wasserstoff reagiert mit vielen der elektropositiveren Elemente (z. B. Sc, Ti, Va) und lagert sich in der metallischen Kristallstruktur ein, ohne dass sich der Druck im System ändert. Dies kann zu einer extrem hohen volumetrischen Wasserstoffdichte führen, was Metallhydride zu einer sehr effektiven Methode zur sicheren und kompakten Speicherung großer Mengen Wasserstoff macht. Die derzeit erreichbare gravimetrische Dichte von etwa 3 Massen-% ist jedoch ein limitierender Faktor für Flugzeuge, sodass die Herausforderung, ein leichtes Metallhydridsystem zu entwickeln, weiterhin besteht.

Es kann auch ein anderes System komplexer Hydride verwendet werden: Leichtmetalle der Gruppen 1, 2 und 3 (z. B. Li, Mg, B, Al usw.), wodurch eine große Vielfalt an Metall-Wasserstoff-Komplexen entsteht. Der Hauptunterschied zwischen diesen und Metallhydriden besteht im Übergang zu einer ionischen oder kovalenten Verbindung bei der Absorption von Wasserstoff. Diese sind sehr stabil und zersetzen sich erst bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Komplexes. Allerdings sind sehr hohe gravimetrische Dichten bei Raumtemperatur möglich: iBH4 enthält 18 Masse-% Wasserstoff – ideal für Flugzeuge. Insgesamt ist die Materialwissenschaft ein Schlüsselelement im Puzzle der Wasserstoffflugzeuge. Neue Materialien für die Speicherung von absorbiertem Wasserstoff werden bei der Umwandlung wasserstoffbetriebener Reisen von Prototypen in eine skalierte Marktlösung für nachhaltige Flugreisen wichtig sein.

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