Würden Wasserstofftanks in einem Flugzeug den Auftrieb erhöhen?

Lass uns schnell rechnen. Luft hat eine Dichte von etwa 1,3 g/L und Wasserstoff hat eine Dichte von etwa 0,09 g/L. Der beste Fall für die Auftriebskraft wäre die Speicherung des Wasserstoffs bei demselben Druck wie die Umgebungsluft. Das bedeutet, dass jeder Liter Wasserstoff 1,21 g Luft verdrängen kann, wodurch die Dichte des Flugzeugs verringert wird. Die vom Flugzeug verdrängte Luftmenge (und damit der Auftrieb ) würde sich nicht ändern, aber die Dichte des Flugzeugs in diesem Raum würde abnehmen. Dies würde den benötigten Auftrieb verringern, aber mal sehen, um wie viel.

Die größte Menge an freiem Volumen in einem Flugzeug (das nicht Teil des unter Druck stehenden Abschnitts des Rumpfs ist) sind die Kraftstofftanks. Ein A380 hat eine Treibstoffkapazität von etwa 323.000 l. Wenn wir davon ausgehen, dass die Hälfte davon mit Wasserstoff gefüllt wird, würde dies zu einer Gesamteinsparung von etwa 190 kg führen. Ein A380 hat ein maximales Startgewicht von 575.000 kg. Diese Änderung würde helfen, wäre aber sehr gering im Vergleich zum gesamten erforderlichen Hub.

Wie David Richerby betont, müsste Wasserstoff, der als Brennstoff benötigt wird, unter Druck gesetzt (wenn nicht verflüssigt) werden, um genug an Bord zu passen. Dies würde die Dichte gegenüber jeder verdrängten Luft erhöhen, was stattdessen das Gewicht des Flugzeugs erhöhen würde.

Vielleicht könnte der Wasserstoff produziert statt gespeichert werden. Neuere Flugzeuge haben ein sogenanntes OBIGGS oder Onboard-Inertgas-Erzeugungssystem. Dieses System erzeugt Stickstoff, der verwendet wird, um den Raum in Kraftstofftanks zu füllen, nachdem der Kraftstoff verwendet wurde. Als Inertgas kann Stickstoff die Sauerstoffmenge im Raum unterhalb dessen verringern, was für die Zündung der Kraftstoffdämpfe erforderlich wäre.

Dieses System spaltet jedoch Stickstoff aus der Luft, wenn man bedenkt, dass unsere Atmosphäre hauptsächlich aus Stickstoff besteht. Wasserstoff müsste woanders herkommen, normalerweise Wasser, was mehr Gewicht hinzufügen würde. Ein weiteres Problem mit Wasserstoff ist, dass er, wenn er Luft zugesetzt wird, von selbst explosiv sein kann , was die Situation noch verschlimmern würde. In Anbetracht des geringen Vorteils wäre dies kein System, das es wert wäre, in einem Verkehrsflugzeug installiert zu werden.

In Bezug auf die Machbarkeit eines wasserstoffbetriebenen Flugzeugs hat die NASA eine Studie durchgeführt und entschieden, dass dies keine gute Energiequelle für ein Flugzeug ist. Das Volumen und Gewicht, das erforderlich wäre, um selbst flüssigen Wasserstoff zu speichern, wäre zu groß, als dass das Flugzeug sehr nützlich wäre.

Der Auftrieb (auch bekannt als statischer Auftrieb) hängt vom Volumen des Objekts ab. Wenn Sie etwas anderes in die Tanks füllen, ändert sich der Auftrieb nicht .

Was sich jedoch ändern kann, ist das Gewicht. Wenn Sie es als Brennstoff verwenden wollten, müssten Sie eine solche Menge nehmen, um die gleiche Verbrennungswärme zu erhalten, die Sie von Kerosin erhalten. Wasserstoff hat einen niedrigeren¹ Heizwert von 119,96 MJ/kg und Kerosin hat ~43 MJ/kg (²), sodass Sie fast drei (2,79) mal weniger Wasserstoff benötigen würden. Dies ist völlig unabhängig von seiner Dichte, aber nur so kann es als Brennstoff Vorteile bieten.

Jedoch:

• Sie müssten immer noch viel davon in das Flugzeug pressen, was entweder einen enormen Druck oder sehr kalt bedeutet .
• Sogar flüssiger Wasserstoff hat eine Dichte von nur 70,85 kg/m³ (gasförmig bei 300 bar hat nur 26,96 kg/m³) im Vergleich zu 800 kg/m³ für Kerosin, sodass Sie selbst für dreimal weniger Gewicht immer noch viermal größere Kraftstofftanks benötigen und Sie würden einen höheren Formwiderstand und ein höheres Gewicht haben. Sie hätten auch einen etwas höheren Auftrieb, aber die Luftwiderstandsstrafe wäre höher als jeder Gewinn daraus.
• Der Umgang mit Sachen, die kälter als −253 °C sind, ist kompliziert und es kostet viel Energie, sie kühl und kalt zu halten. Für Raumfahrzeuge ist der Gewichtsvorteil so wichtig, dass es sich lohnt, aber für Flugzeuge nicht.
• Komprimierter Wasserstoff ist nicht wirklich eine Option. Die Tanks wären schwerer als das, was man an Treibstoff einsparen könnte.

Insgesamt hat Wasserstoff für Flugzeuge also keinen Vorteil zu bieten. Es hat es nur für Raumfahrzeuge, die die Atmosphäre schnell verlassen, sodass sie sich nicht viel um den Luftwiderstand kümmern, sich aber viel um das Gewicht kümmern.

¹ Beachten Sie, dass „unterer Heizwert“ ein Fachbegriff ist. Brennstoffe haben zwei Heizwerte, einen niedrigeren, um die Produkte im gasförmigen Zustand zu belassen, und einen höheren, der die Kondensationsenthalpie beinhaltet, wenn die Produkte bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig wären, wie es beim üblichen Verbrennungsprodukt Wasser der Fall ist .

² Im Gegensatz zu Wasserstoff ist Kerosin ein Gemisch mit einer gewissen Toleranz für die Zusammensetzung, daher hat es keinen genaueren Heizwert, da er von Charge zu Charge variieren darf.

Nein. Wenn Sie Wasserstoff als Brennstoff verwenden möchten, brauchen Sie viel davon, was bedeutet, dass Sie es unter Druck setzen müssen. Wasserstoff hat eine geringere Dichte als Luft, wenn er normalen atmosphärischen Druck hat, aber wenn Sie beginnen, ihn unter Druck zu setzen (dh eine größere Masse Wasserstoff in ein festes Volumen zu bringen), nimmt dieser Vorteil ab. Schlimmer noch, wenn Ihr Kraftstoff unter Druck steht, müssen Sie ihn in einem starken Tank lagern, und stark bedeutet schwer.

Es würde den Auftrieb erhöhen, wenn es drucklos wäre. Natürlich würde es auch das Volumen um einige Größenordnungen erhöhen, wenn es im Zusammenhang mit einem Flugzeug von beträchtlicher Größe genügend Auftrieb erzeugen würde, was zu Formwiderstandsstrafen führen würde, die den Auftriebsvorteil für das Flugzeug bei weitem überwiegen würden fliegen Sie alles in der Nähe der Geschwindigkeiten, die in modernen Verkehrsflugzeugen verwendet werden. Dies kann natürlich für viel langsamere Flugzeuge wie Luftschiffe funktionieren , obwohl eine solche Verwendung unerwünschte Folgen haben kann .

Wenn es unter Druck steht, ist es dichter als Luft und erzeugt daher keinen Auftrieb.

Die vorgenannten unerwünschten Folgen sehen in etwa so aus: