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Jun 01, 2024

A ciência dos materiais pode resolver os desafios das aeronaves a hidrogênio?

Uma alternativa promissora ao armazenamento de hidrogênio no estado gasoso é o armazenamento no estado líquido em tanques criogênicos (21,2K/-251,8°C) à pressão ambiente. Crédito: Dudaeva via Shutterstock. A seleção e engenharia de

Uma alternativa promissora ao armazenamento de hidrogênio no estado gasoso é o armazenamento no estado líquido em tanques criogênicos (21,2K/-251,8°C) à pressão ambiente. Crédito: Dudaeva via Shutterstock.

A seleção e engenharia de materiais avançados específicos (AdMs) desempenham um papel importante no projeto de aeronaves a hidrogênio. Particularmente importante é o armazenamento eficiente de hidrogênio, que exige que o material selecionado tenha uma forte interação com o hidrogênio ou nenhuma reação. Foram identificados seis métodos de armazenamento reversível de hidrogênio com alta densidade volumétrica e gravimétrica, que se concentram vagamente em três tipos de armazenamento: armazenamento de gás de alta pressão, armazenamento de líquido criogênico e armazenamento absorvido, onde o hidrogênio é absorvido em um material e depois liberado seletivamente. .

Os cilindros de gás de alta pressão (<20MPa) são atualmente o método mais onipresente de armazenamento de hidrogênio, sendo os aços inoxidáveis ​​austeníticos – uma forma de aço inoxidável que contém quantidades significativas de cromo e níquel – e as ligas de alumínio os mais populares até o momento, devido à sua resistências à tração muito altas e densidades relativamente baixas, bem como sua alta imunidade aos efeitos do hidrogênio (reação e difusão) à temperatura ambiente. Também foram desenvolvidas estruturas leves de compósitos reforçados com fibra que, embora não sejam isotrópicas (iguais em todas as direções) em resistência, podem ser projetadas para suportar pressões de até 80 MPa, para uma densidade volumétrica significativa – um fator chave no armazenamento móvel de hidrogênio. No entanto, um problema crítico com o armazenamento de gás de alta pressão é a oposição entre densidade volumétrica e gravimétrica, em que o aumento da pressão aumenta a primeira, mas diminui a última, e vice-versa. Embora os cilindros de gás tenham sido suficientes até o momento, são necessários novos projetos para aeronaves a hidrogênio.

Uma alternativa altamente promissora ao armazenamento de hidrogênio no estado gasoso é o armazenamento no estado líquido em tanques criogênicos (21,2K/-251,8°C) à pressão ambiente. Isto apresentaria uma infinidade de benefícios, incluindo maior segurança como resultado da redução das pressões operacionais e maior flexibilidade do projeto do tanque, já que os tanques pressurizados geralmente só podem ser construídos em geometrias cilíndricas. Há, no entanto, uma questão fundamental com o armazenamento de líquidos criogênicos: o custo. O ciclo Joule-Thompson/Linde, o método mais simples de liquefação de hidrogênio, ainda é complicado e, portanto, caro. Além disso, o armazenamento em temperaturas criogênicas é complexo e as perdas por evaporação podem resultar de vazamentos de calor. Em condições ideais (um Dewar esférico de parede dupla e isolado a vácuo), um tanque de 100 m³ normalmente sofreria uma perda diária de 0,2%, embora isso aumente para projetos de tanques não ideais (por exemplo, tanques não esféricos) provavelmente necessários para aeronaves.

Embora menos desenvolvido, o armazenamento por absorção também é possível. Existem várias proposições, incluindo a fisissorção (atração) de moléculas de hidrogênio na superfície de um sólido. Materiais de grande área superficial específica (ou seja, área de superfície em relação ao peso), como carvão nanoestruturado ou ativado, e nanotubos de carbono (CNTs), são possíveis substratos. Os CNTs são de particular interesse como a cavidade do tubo, que tem uma largura inferior a alguns diâmetros moleculares, causando sobreposição de campo e aumento da força atrativa entre o carbono e o hidrogênio. Em comparação, as folhas planas de grafeno em grafite têm menos atração, mas são mais fáceis de fabricar.

A fisissorção para armazenamento de hidrogênio tem potencial devido à baixa pressão operacional e custo de material, bem como à arquitetura de projeto simples, mas as pequenas densidades volumétricas e gravimétricas são desvantagens significativas. Outro método de armazenamento de hidrogênio sólido é a reação com metais de transição a temperaturas elevadas para formar hidretos. O hidrogênio reage com muitos dos elementos mais eletropositivos (ou seja, Sc, Ti, Va) e fica na estrutura cristalina metálica, sem alterações de pressão no sistema. Isso pode resultar em densidade volumétrica de hidrogênio extremamente alta, tornando os hidretos metálicos um método muito eficaz para armazenar grandes quantidades de hidrogênio de forma segura e compacta. A atual densidade gravimétrica alcançável de cerca de 3% em massa é, no entanto, um fator limitante para aeronaves, o que significa que o desafio de projetar um sistema leve de hidreto metálico ainda permanece.