Исследователи из FAMU-FSU College of Engineering разработали систему хранения и подачи жидкого водорода, которая может сделать авиацию с нулевыми выбросами реальностью. Их решение решает сразу несколько инженерных задач: водород используется не только как чистое топливо, но и как хладагент для критически важных систем электролетов.

Работа, опубликованная в Applied Energy, предлагает дизайн для 100-местного гибридно-электрического самолета, получающего энергию от водородных топливных элементов и сверхпроводящих генераторов. Система эффективно хранит жидкий водород, безопасно транспортирует его и охлаждает бортовое оборудование, одновременно обеспечивая энергией все этапы полета — от взлета до посадки.

Мы хотели создать единую систему, которая справляется сразу с тремя задачами: хранение топлива, охлаждение и управление подачей, — говорит Вэй Го, профессор кафедры машиностроения и ведущий автор исследования. — Этот дизайн — основа для реальных водородных авиасистем.

Как это работает

Водород — перспективное топливо для авиации: он энергоемкий и не производит CO₂. Но он крайне легкий, поэтому его приходится хранить в жидком состоянии при –253°C. Команда оптимизировала систему криогенных баков, введя новый параметр — отношение массы топлива к массе всей системы. После множества расчетов они добились показателя 0,62: 62% массы системы — это полезный водород, что значительно лучше традиционных решений.

Вторая ключевая функция — терморегуляция. Вместо отдельной системы охлаждения жидкий водород проходит через теплообменники, забирая избыточное тепло у генераторов, кабелей и электроники. Постепенно нагреваясь, он затем подается в топливные элементы.

Подача без насосов

Механические насосы добавляют вес и могут выйти из строя при сверхнизких температурах. Инженеры предложили безнасосную систему: давление в баке регулируется впрыском газообразного водорода или его стравливанием. Датчики давления связаны с профилем энергопотребления, что позволяет мгновенно менять подачу.

Теплообменники расположены каскадом: сначала водород охлаждает сверхпроводящие компоненты, затем — двигатели и электронику. Так он выполняет двойную роль — и хладагента, и топлива.

Раньше никто не знал, как эффективно перемещать жидкий водород в самолете и использовать его для охлаждения, — говорит Го. — Мы не только доказали, что это возможно, но и показали, что нужна комплексная оптимизация всей системы.

Следующий этап — испытания прототипа в Центре перспективных энергосистем FSU. Проект поддерживается NASA в рамках программы Integrated Zero Emission Aviation, объединяющей университеты США для разработки экологичных авиатехнологий.

Этот проект сокращает разрыв между теорией и практикой водородной авиации. Он решает две главные проблемы:

• Эффективность — интеграция хранения и охлаждения снижает вес системы, что критично для самолетов.
• Безопасность — безнасосная подача минимизирует риски утечек и поломок.

Если технология масштабируется, это ускорит переход на «зеленые» авиаперевозки, особенно для среднемагистральных рейсов.

Главный вопрос — стоимость. Производство и хранение жидкого водорода пока дороже керосина, а инфраструктура аэропортов не готова к его использованию. Без господдержки и инвестиций внедрение затянется на десятилетия.

Ранее ученые МАИ назвали 6 трендов развития отечественной авиации.