¿Los tanques de combustible de hidrógeno en un avión aumentarían la sustentación?

Hagamos algunos cálculos rápidos. El aire tiene una densidad de alrededor de 1,3 g/L y el hidrógeno tiene una densidad de alrededor de 0,09 g/L. El mejor caso para la fuerza de elevación sería almacenar el hidrógeno a la misma presión que el aire circundante. Esto significa que cada L de hidrógeno puede desplazar 1,21 g de aire, reduciendo la densidad de la aeronave. La cantidad de aire desplazado por la aeronave (y por lo tanto la flotabilidad ) no cambiaría, pero la densidad de la aeronave en ese espacio disminuiría. Esto disminuiría la sustentación necesaria, pero veamos cuánto.

La mayor cantidad de volumen libre en un avión (que no forma parte de la sección presurizada del fuselaje) son los tanques de combustible. Un A380 tiene una capacidad de combustible de unos 323.000 L. Si consideramos llenar la mitad con hidrógeno, esto daría como resultado una reducción total de unos 190 kg. Un A380 tiene un peso máximo de despegue de 575.000 kg. Este cambio ayudaría, pero sería muy pequeño en comparación con el levantamiento total necesario.

Como señala David Richerby, el hidrógeno necesario como combustible tendría que ser presurizado (si no licuado) para que quepa suficiente a bordo. Esto aumentaría la densidad por encima de la de cualquier aire desplazado, lo que en cambio agregaría peso a la aeronave.

Quizás el hidrógeno podría producirse en lugar de almacenarse. Los aviones más nuevos tienen algo llamado OBIGGS , o sistema de generación de gas inerte a bordo. Este sistema genera nitrógeno que se usa para llenar el espacio en los tanques de combustible después de que se usa el combustible. Al ser un gas inerte, el nitrógeno puede reducir la cantidad de oxígeno en el espacio por debajo de lo que sería necesario para la ignición de los vapores de combustible.

Sin embargo, este sistema separa el nitrógeno del aire, considerando que nuestra atmósfera es principalmente nitrógeno. El hidrógeno tendría que provenir de otro lugar, generalmente agua, lo que agregaría más peso. Otro problema con el hidrógeno es que cuando se agrega al aire puede ser explosivo por sí solo , lo que empeoraría aún más la situación. Teniendo en cuenta el beneficio menor, este no sería un sistema que valiera la pena instalar en un avión.

Con respecto a la viabilidad de un avión propulsado por hidrógeno, la NASA hizo un estudio y decidió que esta no es una buena fuente de energía para un avión. El volumen y el peso requeridos para almacenar incluso hidrógeno líquido serían demasiado para que la aeronave fuera muy útil.

La flotabilidad (también conocida como elevación estática) depende del volumen del objeto. Si pones algo más en los tanques, la flotabilidad no cambia .

Lo que sí puede cambiar, sin embargo, es el peso. Si quisiera usarlo como combustible, tendría que tomar una cantidad tal que obtenga el mismo calor de combustión que obtiene del queroseno. El hidrógeno tiene un poder calorífico inferior¹ 119,96 MJ/kg y el queroseno tiene ~43 MJ/kg (²), por lo que necesitaría casi tres (2,79) veces menos hidrógeno por peso. Esto no tiene nada que ver con su densidad, pero es la única forma en que puede ofrecer ventajas como combustible.

Sin embargo:

• Todavía necesitaría exprimir mucho en el avión, lo que significa una gran presión o mucho frío .
• Incluso el hidrógeno líquido tiene una densidad de solo 70,85 kg/m³ (el gaseoso a 300 bar tiene solo 26,96 kg/m³) en comparación con los 800 kg/m³ del queroseno, por lo que, incluso con el triple de peso, necesitaría tanques de combustible cuatro veces más grandes y vendrían con mayor arrastre de forma y mayor peso. También tendrían una flotabilidad ligeramente mayor, pero la penalización por arrastre sería mayor que cualquier ganancia de eso.
• Tratar con cosas más frías que -253 °C es complicado y se necesita mucha energía para mantenerlo fresco y frío. Para las naves espaciales, la ventaja del peso es tan importante que vale la pena, pero para los aviones no lo es.
• El hidrógeno comprimido no es realmente una opción. Los tanques serían más pesados ​​de lo que podría ahorrar en el peso del combustible.

Entonces, en general, el hidrógeno no tiene ninguna ventaja que ofrecer para los aviones. Solo lo tiene para las naves espaciales que abandonan la atmósfera rápidamente, por lo que no les importa mucho la resistencia aerodinámica, pero sí el peso.

¹ Tenga en cuenta que "poder calorífico inferior" es un término técnico. Los combustibles tienen dos poderes caloríficos, el inferior, que es para dejar los productos en estado gaseoso, y el superior, que incluye la entalpía de condensación si los productos fueran líquidos a temperatura ambiente y presión estándar, como es el caso del producto de combustión común, el agua. .

² A diferencia del hidrógeno, el queroseno es una mezcla con cierta tolerancia en la composición, por lo que no tiene un poder calorífico más preciso, ya que se permite variar de un lote a otro.

No. Si quiere usar hidrógeno como combustible, necesita mucho, lo que significa que necesita presurizarlo. El hidrógeno es menos denso que el aire cuando está a la presión atmosférica ordinaria pero, a medida que comienza a presurizarlo (es decir, coloca una mayor masa de hidrógeno en un volumen fijo), esa ventaja disminuye. Peor aún, si su combustible está presurizado, debe almacenarlo en un tanque fuerte y fuerte significa pesado.

Aumentaría la elevación si no estuviera presurizado. Por supuesto, también aumentaría el volumen en unos pocos órdenes de magnitud si fuera a producir suficiente sustentación para importar en el contexto de un avión de tamaño significativo, lo que conduciría a penalizaciones de arrastre que superarían con creces el beneficio de sustentación para las naves que volar cualquier cosa cercana a las velocidades utilizadas en los aviones modernos. Por supuesto, esto puede funcionar para aeronaves mucho más lentas, como los dirigibles , aunque dicho uso puede tener consecuencias indeseables .

Si está presurizado, será más denso que el aire y, por lo tanto, no creará sustentación.

Las consecuencias indeseables antes mencionadas se parecen a esto: