¿Podemos construir un dirigible de hidrógeno seguro?

Sí, pero llevaría tiempo y dinero. Si lo hace, podrían convertirse fácilmente en la forma de transporte aéreo más segura del mundo.

Cuando se habla de aeronaves, la gente asume que son blandas, inflamables/explosivas, lentas, que no soportan el viento y se estrellan si las miras de forma divertida. Puede ver esto en cualquier pregunta sobre aeronaves en este sitio, por ejemplo. Llega tan lejos que la gente buscará activamente las desventajas para hacer que sus argumentos funcionen, como decir que fueron ruidosos (no lo fueron).

Los aviones con motor a reacción han estado en el mismo lugar en un momento dado. El primer avión con motor a reacción de gran altitud estuvo involucrado en varios accidentes de alto perfil con la pérdida de todos a bordo. Esto hizo que la opinión pública pensara que los aviones se rompían sin razón, que explotarían y que, en general, no eran seguros. Sin simulaciones por computadora para probar adecuadamente lo que podría haber sucedido, el único método de prueba fue usar un avión físico y simular las condiciones de un vuelo varios cientos o miles de veces para ver qué sucedió. En ese momento, un método ridículamente costoso y que requería mucho tiempo. Sin embargo, la compañía aeronáutica hizo la prueba de todos modos, descubrieron que la forma de sus ventanas causaba fracturas por estrés que causaron todos los accidentes. Toda la industria aérea aprendió de ello y ahora volamos con los bordes de las ventanas redondeados y la opinión pública ya no es que los aviones se estrellen al azar o exploten. Si esa prueba nunca hubiera ocurrido, habría tomado décadas más antes de que alguien hubiera construido un avión de pasajeros que funcionara.

Las aeronaves estaban en la misma posición, solo que nunca fueron probadas (porque no sabían cómo). Sin embargo, con materiales modernos, simulaciones y capacidades, podemos hacer aeronaves seguras, al igual que hemos hecho que nuestras aeronaves sean mucho más seguras que nuestros primeros diseños de aeronaves. ¡Los aviones pueden despegar y aterrizar con un motor en llamas que se cae a la mitad del vuelo hoy en día!

El gas:

El hidrógeno es una de las sustancias más inflamables de la tierra, pero solo cuando tiene suficiente oxígeno. El interés en los automóviles de hidrógeno y las celdas de combustible de hidrógeno permitió investigar qué tan seguro era tenerlos a bordo de automóviles y tanques de combustible grandes en comparación con la gasolina normal. Descubrieron que debido a la forma en que se quema el hidrógeno, en realidad es más seguro en comparación con la mayoría de los tipos de combustible que usamos hoy en día. Con la adición de más particiones entre celdas de gas, más celdas de gas individuales y otras medidas de seguridad, puede hacerlo muy seguro. Comparémoslo con el Hindenburg por ejemplo.

El Hindenburg era una nave más liviana que el aire, por lo que para aterrizar necesitaba ventilar su hidrógeno (o bombearlo en la misma celda de gas y llenar la celda de gas vacía con aire, aunque el Hindenburg parece haberlo ventilado en su mayoría). Este hidrógeno podría haberse quedado alrededor de la nave cuando se produjeron chispas de una llama. Es menos probable que los motores modernos provoquen chispas y, con la introducción de aeronaves híbridas, ese problema desaparece por completo. Las aeronaves híbridas obtienen la mayor parte de su sustentación del gas, pero la sustentación restante es generada por alas viejas regulares y empuje vectorial. Esto también elimina instantáneamente la necesidad de mástiles de amarre y permite que estas aeronaves híbridas aterricen en áreas rurales donde el transporte regular no puede llegar.

Otro problema con el Hindenburg era que su piel estaba hecha de materiales inflamables. A medida que las llamas seguían ardiendo en la piel de la aeronave, el hidrógeno podía mezclarse con más oxígeno y encenderse, manteniendo el proceso hasta que era tan grande que engulló al Hindenburg.

En cuanto a esa mezcla con oxígeno, el hidrógeno se almacena a presión atmosférica. Si perfora la bolsa de gas, no se derramará hidrógeno ya que no hay presión detrás del gas para empujarlo hacia la atmósfera alrededor de la nave. En la Primera Guerra Mundial, los biplanos con munición incendiaria necesitaban primero disparar un par de cientos de tiros a la aeronave, luego esperar unos minutos para que la difusión causara suficiente hidrógeno para mezclarse con el aire antes de regresar y prender fuego a ese hidrógeno fuera de la aeronave. Si la piel de la aeronave también se incendia, se libera rápidamente más hidrógeno para mezclarse con el aire y mantener el proceso en llamas. Durante la Segunda Guerra Mundial, incluso hubo un barco que fue atrapado por las armas antiaéreas del Eje dos veces, perdió aproximadamente el 50% de su gas de elevación y llegó a casa sin incendiarse ni estrellarse.

es la velocidad:

Los dirigibles son vistos como bestias lentas y pesadas. Sin embargo, incluso los dirigibles de la Segunda Guerra Mundial podían alcanzar los 130 km/h. Podrías decir "pero en comparación con otros aviones que son lentos", pero esa es una comparación injusta. Es como decir "ah, pero mi coche de carreras es más rápido que tu camión". ¡Sí, lo es! Pero su auto de carrera no puede transportar la mitad de la carga que mi camión y mi camión puede hacerlo con mucho menos combustible por peso de carga transportado.

Son medidas de seguridad:

Un accidente como el Hindenburg podría haber ocurrido por la ventilación de hidrógeno, con el que las aeronaves híbridas no tendrían que lidiar, o por fugas. Las fugas se pueden reducir al tener más bolsas de gas y medidas de seguridad redundantes. Los sobres y bolsas de gas no inflamables pueden aumentar las medidas de seguridad, al igual que la aplicación de materiales autosellantes, amortiguadores y bolsas de gas compartimentadas. Si una bolsa de gas se perfora o incluso se quema por completo, las otras bolsas de gas se pueden aislar lo suficiente para que no se incendien. De manera similar, puede reducir los riesgos de incendio agregando una mezcla de helio al hidrógeno (si es necesario, colocando la bolsa de gas de hidrógeno en una bolsa de gas con helio). Esto significa que el hidrógeno tendrá más dificultades para mezclarse con suficiente oxígeno para volverse inflamable y permanecer inflamable sin pagar el costo total de una aeronave de helio.

Otra buena medida de seguridad son los sensores modernos. El Hindenburg no pudo medir su fuga muy fácilmente y muchas aeronaves se estrellaron en tormentas o debido a un error humano porque los sensores y el control meteorológico moderno no estaban disponibles. Al igual que los viejos aviones se estrellaban con frecuencia debido a tormentas y errores humanos porque no teníamos los sensores ni los datos de control meteorológico para mantenerlos en vuelo, pero esas mismas medidas los han vuelto increíblemente difíciles de estrellar (a menos que, una vez más, el error humano provoque la falta de mantenimiento o defecto de diseño).

TI,DR:

Los materiales modernos, los sensores, el conocimiento, el diseño, el uso de dirigibles híbridos, las medidas de seguridad y todas las cosas buenas que hemos estado usando para los aviones modernos harían que un dirigible moderno fuera extremadamente seguro. Su capacidad para recibir disparos, literalmente, y aun así realizar un aterrizaje seguro varias horas después, los convierte en el avión más seguro y resistente disponible para la humanidad. El mayor obstáculo es la opinión pública y el tiempo y el dinero para diseñar buenos dirigibles. Los aviones se han construido durante décadas, y cuando miras el Airbus, vemos que incluso hoy en día un diseño de avión grande puede ser difícil de lograr. Se han construido aeronaves modernas en la última década, pero debido a la opinión pública es difícil encontrar personas dispuestas a invertir y usar aeronaves, que es la razón principal por la que fallan las aeronaves, no su seguridad real. Los dirigibles son seguros, solo se necesita tiempo y dinero.

Respuesta corta: no, no puedes hacer un dirigible de hidrógeno seguro.

Hay razones físicas y químicas básicas para esto.

Primero, el hidrógeno es el elemento más inflamable, inflamable en mezclas con aire de aproximadamente 4% a 94% de hidrógeno. Eso significa que la fuga más pequeña, en cualquier dirección, produce un riesgo de ignición (explosiva), y un fuego de hidrógeno es imposible de extinguir (la inundación con gas inerte es el único método práctico, y conlleva una enorme penalización de peso debido a la cantidad necesario para inundar toda la envoltura de un dirigible).

En segundo lugar, los dirigibles, por su naturaleza, deben ser frágiles. Esta es una máquina que tiene que flotar como una pompa de jabón; toda la estructura rígida y la carga útil deben tener una densidad general igual a la del aire (a la altitud operativa, que suele ser menor que la densidad terrestre). Cualquier intento de fortalecer la estructura del avión generalmente se debe aplicar para hacer que la misma construcción de pompas de jabón sea más liviana, por lo que se reduce el hidrógeno total requerido para flotar, porque hacer que todo el barco sea más pequeño es mejor que hacerlo más rígido o más fuerte, tanto en términos de de costo y seguridad.

En tercer lugar, como se indica en los comentarios, los dirigibles deben amarrarse por la nariz, lo que significa que cada barco necesita un espacio circular con un radio ligeramente mayor que la longitud de la envolvente. Donde los aviones de pasajeros se pueden estacionar con sus alas entrelazadas, de modo que una capacidad de miles de pasajeros cabrá en un campo de fútbol (de cualquier tipo), una sola aeronave que puede transportar un par de cientos no cabrá en el mismo espacio. Además, se debe permitir que la aeronave (cuando está amarrada en el exterior) gire alrededor de la torre de amarre, como un barco anclado con la marea o la corriente, porque el viento cambia. Hubo un incidente en el que una inversión completa del viento (cambio de 180 grados sin soplar en las direcciones intermedias) volcó un dirigible verticalmente sobre el mástil de amarre, y dado que el barco era intencionalmente pesado mientras estaba amarrado,

Relacionado con esto, no se pueden cargar y descargar con pasajeros protegidos, como lo están los jets modernos; más bien, los pasajeros, en el mejor de los casos, serían llevados al barco por lo que equivale a un autobús alto, y el barco sería sujeto a movimiento al intentar cargar pasajeros y carga (ya que no se puede amarrar rígidamente, debido a su fragilidad).

Se han construido hangares para aeronaves, que hacen un muy buen trabajo al proteger la aeronave, pero aún ocupan una gran cantidad de bienes raíces (caros) en comparación con los hangares para aeronaves (son lo suficientemente grandes como para tener su propio clima adentro ) , y es una producción larga y lenta mover el dirigible dentro y fuera del hangar, con la más mínima turbulencia o viento cruzado siendo una receta para el desastre.

Otra preocupación es la "fragilización por hidrógeno". La mayoría, si no todos, los metales en contacto con el hidrógeno absorberán el gas en la matriz cristalina del metal. Luego, el hidrógeno hace que se formen defectos en la red, lo que hace que el metal se vuelva quebradizo. Si el hidrógeno nunca entra en contacto con la estructura metálica, muy bien, pero el hidrógeno también se difunde a través de casi cualquier otra cosa (no tan mal como el helio, la molécula es más grande, pero aún lo hace). Esto también significa que no puede evitar la fuga de hidrógeno.

Por último, los dirigibles son lentos . El Hindenburg , posiblemente el dirigible más avanzado jamás en servicio comercial, tenía una velocidad máxima de alrededor de 100 mph y navegaba a aproximadamente 80 mph (160 y 130 km/h respectivamente). Tomó días cruzar el Atlántico desde Alemania hasta la ciudad de Nueva York. Esto era comparable a los aviones de la época, excepto que el Hindenburgpodía hacer el viaje sin escalas, donde los aviones de principios a mediados de la década de 1930 no podían. Sin embargo, desde entonces, los aviones han aumentado la velocidad en un factor de cuatro más o menos (para transportes comerciales), y es probable que las aeronaves no puedan hacerlo, simplemente debido a la cantidad de energía requerida para perforar esa inmensa bolsa de gas a través del atmósfera. El crucero más alto que he visto para una aeronave moderna propuesta fue de alrededor de 200 mph (320 km / h)

Sí, en cierta medida al menos.

Todo el progreso que tenemos atm es útil, todos los nuevos materiales y enfoques: definitivamente podemos hacerlo mejor de lo que se hizo hace más de 90 años.

Y LZ 127 tenía 590 vuelos, 17.177 horas y 1,7 millones de km en su haber. Y tenía hidrógeno como gas elevador, así que hidrógeno como parte de su combustible, ese gas Blau . Y eso no está mal, incluso para los estándares modernos.

Con materiales y tecnologías modernos, seguro que podemos mejorarlo y esperamos más seguridad y más kilómetros.

Sin embargo, eso no significa que podamos hacerlo de inmediato, esta es una tecnología interrumpida, incluso si hay algunas versiones modernas de aeronaves. Pero si queremos que se use más, tendremos que pasar por interacciones de desarrollo, prueba, operación, mejoras y maduración.

El hidrógeno no es el único gas de elevación, otro es el metano; sí, tiene la mitad de la potencia de elevación, pero si consideramos también el gas Blau, la densidad media de elevación media del gas disponible en LZ es de 100 000 m3 de hidrógeno y 30 000 m3 de gas Blau. volúmenes fue de 0,370 kg por metro cúbico, y el metano es de 0,657 kg, por lo que la diferencia en las capacidades de elevación es el 70% de su análogo de hidrógeno.

Usaron gas Blau para mantener la misma flotabilidad durante el vuelo, pero nosotros, como parte neutral en carbono, podemos comprimir fácilmente algún porcentaje de CO2 del escape del motor para el mismo propósito, no requiere tanto esfuerzo.

que diferencia hace

la permeabilidad del hidrógeno es notoria, y es uno de los desafíos, para hacer las cosas más seguras, y el metano es mejor para nuestros propósitos por ese aspecto. Entonces, ya que está disponible en grandes cantidades en el estante.

El metano también es un producto y una buena parte del gas natural que es transportado a largas distancias por transportadores de GNL y transportadores de GNC . Llevan ese gas en forma licuada o comprimida (a 250 bar), por lo que ese gas es transportado por tuberías en grandes volúmenes, donde las tuberías están disponibles. Lo que significa que hay una demanda para transportarlo en grandes volúmenes.

Los tres enfoques tienen sus pros y sus contras, licuar no es gratis, la presión de 250 bar es bastante exigente para grandes volúmenes, las tuberías deben construirse y no tienen flexibilidad en cuanto al lugar donde entregan el material, etc.

Los dirigibles podrían ser otro medio para entregar gas natural, lo que podría impulsar el desarrollo y la madurez de esa tecnología.

Las ventajas son que no es necesario licuar el gas que arrojan grandes instalaciones dedicadas a eso y, básicamente, el reabastecimiento puede ocurrir fuera del pozo. La flotabilidad neutra se puede lograr con presiones de menos de 2 bares, lo que impone menos exigencias a los materiales, menos de 250, por lo que está dentro de las capacidades de los materiales que podemos usar para construir esa aeronave.

Entonces, un tanque de GNL es de 18 000 a 266 000 m3 de gas licuado, 422 toneladas por 1000 m3 de gas licuado.

Para un dirigible potencial, si la mitad de la capacidad de elevación es la masa de construcción de ese barco, entonces por cada 400 t de gas de elevación puede transportar 200 t de carga (petróleo como ejemplo). o 1,25 bar sin carga.

que otras ventajas puede tener

Los dirigibles no están limitados por tierra o mar, por lo que se pueden acortar, las rutas más directas no están limitadas por las restricciones de los canales, la entrega puede realizarse cuando sea necesario, sin necesidad de tuberías a tierra/puerto.

con esas "400 t de gas de elevación, puede transportar 200 t de carga", claramente hay un problema, no se puede descargar más del 50 % de ese gas (no se puede, es un poco demasiado fuerte, pero otros enfoques requieren más acciones, no necesariamente vale la pena), pero también hay algo que otros medios tendrán dificultades para tener: la entrega sin energía utilizando Jet stream , que son flujos de aire / viento a gran altitud. (La energía solar también es una opción)

Estos se proponen como una fuente de energía potencial porque " Los vientos en altitudes más altas se vuelven más constantes, más persistentes y de mayor velocidad " . equivalente atmosférico de Starlink )

Todos esos vientos también necesitan algunas tecnologías y tienen sus desafíos y traen algunas dificultades, pero la energía eólica intenta regresar incluso en un petrolero, así que...

en qué somos mejores que en los viejos tiempos

Variedad de materiales que están disponibles para nosotros hoy en día, y medios para darles forma y fortalecerlos con diferentes tipos de fibras (la fibra de basalto es suficiente, no se necesita carbono): esa es clara y obvia, por lo que es útil para hacer que la aeronave regrese. .

Menos obvio, para esta aplicación, que a menudo se pasa por alto: somos mucho mejores para detectar cosas, en este caso, fugas de gases, etc.

si combinamos eso, en los viejos tiempos no tenían otras formas que tener una celda de gas de una sola capa, pero podemos tener una estructura de múltiples capas, una estrategia típica de doble casco utilizada en la industria de los petroleros.

Hay 2 aspectos en el diseño: detectar fugas y recuperar la pérdida de gases debido a la permeabilidad o al daño de la carcasa interna, y evitar que se mezclen con el aire.

podemos detectar fácilmente diferentes gases en concentraciones de ppm (partes por millón) o mejor de qué manera menos que cualquier relación de mezcla combustible (partes por cientos). Por lo tanto, podemos ser conscientes de qué y por qué sucede dentro de los volúmenes de elevación, y compensar algunos procesos que ocurren naturalmente (permeación de gas) y pequeñas fugas debido al desgaste. Y así podemos decir cuándo y qué necesita un servicio y muy probablemente dónde lo necesita y cuánto.

• por capas dobles no me refiero a algo drástico, puede ser la misma celda de gas, solo dos capas del mismo (o no) material con algún espaciador en el medio en el que podemos tener un flujo de gas neutro, dióxido de carbono como ejemplo (Diclorofluorometano , propano, etc), cuyo caudal se lleva cualquier fuga y se recoge en algún separador de membrana, para recuperar el gas de elevación, y volver a colocarlo.

Esos dos factores son los factores principales para mi respuesta afirmativa. las incertidumbres se deben principalmente a que el avance en otras áreas no nos hace automáticamente buenos en el diseño y construcción de aeronaves. se necesita mucha investigación y desarrollo, y se necesita desarrollar cierta experiencia en su uso y en solucionar los problemas que podemos supervisar al principio.

la práctica hace al maestro, y existen casos de uso comercial para la tecnología, más allá del uso actual, para ayudar al desarrollo y uso. Y, en general, los dirigibles tienen sentido, no peor que los actuales cruceros marítimos. Y eso puede permitir recorrer ritmos a los que no es posible llegar solo por mar.

Sí tienen sentido como medios de entrega de carga, para distancias medias y largas. si no hay energía libre del viento, entonces no pueden vencer al transporte marítimo, pero a velocidades lentas (20-40 kmh), no son mucho peores que las eficiencias de los ferrocarriles, lo que los coloca potencialmente en el tercer lugar en términos de medios eficientes de energía para la carga. transportando

Entonces, tal vez una cosa que estamos esperando es otro Elon Tusk, que tiene el dinero y la voluntad/el gusto por ellos.

Al menos como se ve en una servilleta, si nos sumergimos en los detalles, puede o no verse mejor o peor, pero ocurre algo de desarrollo con enfoques modernos, por lo que no es un campo totalmente seco.

Nº de tecnología actual Futuro cercano... ¿quizás seguro?

¿Seguro? Tal vez. ¿Práctico? Dudo.

Para hacer que un dirigible de hidrógeno sea seguro, debe diseñarlo de tal manera que una fuga y una llama no provoquen la destrucción de la estructura de aire.

Si un Hindenburg moderno se incendiara en el aire, debería poder recuperarse después de deshacerse de algo de lastre. Si se incendia varias veces y pierde sustentación y no puede recuperarse, debe poder navegar hacia un área abierta, colocarse en el campo, evacuar a todos los pasajeros y la tripulación dentro de los 90 segundos de detenerse (estándar de la aerolínea). ... ¡ sin quemar a nadie ni dejarlos morir!

El hidrógeno en el aire se quema a 2045 grados C. Entonces necesitas encontrar una sustancia que sea:

• es extremadamente ligero.
• es extremadamente fuerte
• es hermético
• no se quema ni se derrite a 2000 grados C

Y construye tu aeronave a partir de eso.

Pocas capas de láminas de grafeno para las celdas de gas y nanotubos de carbono para la estructura. (O nanotubos de carbono para toda la estructura si el grafeno filtra hidrógeno). Con temperaturas de fusión de 3500-4000 grados, estos maravillosos materiales soportarán el calor. El grafeno perderá fuerza después de un tiempo a 900, pero con un poco de experimentación se podría encontrar un diseño tal que una bolsa de gas que se escape al aire y se encienda simplemente se queme, no rompa a sus vecinos y provoque una reacción en cadena.

El grafeno también es lo suficientemente liviano como para que pueda duplicar el casco de sus bolsas de gas de hidrógeno, lo que agrega más seguridad, de modo que un pinchazo solo filtra el pequeño margen de hidrógeno en el borde, en lugar de toda la bolsa.

No, no hará que las aeronaves vuelvan a ser prácticas, especialmente con los fabricantes de aviones que realmente buscan aviones propulsados ​​​​por hidrógeno. Pero podrían estar a salvo de una muerte ardiente.

aerogel lleno de hidrógeno

Un aerogel es un material sólido sintético con una densidad muy baja, la mayor parte es gas. El aerogel de grafeno , sin aire, es siete veces más ligero que el aire. Si está lleno de hidrógeno en lugar de aire atmosférico (principalmente nitrógeno), dicho aerogel será mucho más liviano que el aire. Dado que el hidrógeno no puede quemarse a menos que esté expuesto al oxígeno, solo tiene que sellar los bloques de aerogel con una capa delgada y hermética. Si se expone a mucho fuego, imagino que el material será bastante inflamable, pero no explosivo. Probablemente sería más seguro que los tanques de combustible para aviones, que pueden ser bastante explosivos. La compartimentación entre paredes ignífugas combinada con sistemas gaseosos de extinción de incendios probablemente lo haría muy seguro.