100% пара-водород

Сегодня жидкий водород нашел себе применение в самых разных областях человеческой деятельности. Он применяется как хладоагент в области температур от 14 до 20K, в физике твердого тела, в термобарокамерах и криогенных насосах, в создании условий для работы сверхпроводящих элементов и магнитов, в производстве сверхчистых веществ и биохимии и т.д. Но главным потребителем жидкого водорода стала ракетная и реактивная техника.

Первые сообщения в печати о начале исследований по применению жидкого водорода в качестве ракетного топлива появились в 1959 году. А уже в 1963 году в США был проведен первый успешный запуск ракетной ступени на жидком пара-водороде (р-Н2).

Как известно, по программе "Аполлон" работы завершились высадкой человека на Луну с помощью ракетной системы "Сатурн". Вторая и третья ступени системы работали на топливе "жидкий р-Н2-жидкий О2".

Сегодня известны проекты самолетов с реактивным двигателем на таком топливе, обеспечивающем более чем шестизвуковую скорость полета.

Однако, в начале пятидесятых годов, когда все это было лишь в замыслах, даже в США жидкого водорода производилось всего 0,5 тонн в сутки по цене 2,5 долл. за 1 литр. Напомним, что вес одного литра жидкого водорода составляет всего 70 грамм. Было очевидно, что необходимо организовывать многотоннажное промышленное производство и резко снизить стоимость этого продукта.

И вот здесь возникла чрезвычайно интересная и экзотическая научная проблема, имевшая многолетнюю предысторию. Как известно, в 1927 году чисто теоретически было предсказано существование двух модификаций водорода: орто-водорода (о-Н2) и пара-водорода (р-Н2). Модификации эти отличаются ядерными спинами: о-Н2 обладает параллельными спинами водородных ядер, а р-Н2 - антипараллельными. Было показано наличие связи между ориентацией спинов и вращательным квантовым числом. Спиновые функции протонов симметричны, когда два ядерных спина параллельны и антисимметричны, когда ядерные спины имеют антипараллельную ориентацию.

Позже было определено, что такой переход о-Н2 в р-Н2 сопровождается тепловым эффектом: о-Н2 > р-Н2 +340 кал/моль и, как уже отмечалось, константа равновесия при этом изменяется от К=3 при Т>300К до К=0,00 при Т<20К. Поэтому после сжижения обычного водорода, содержащего 75% о-Н2 и 25% р-Н2 самопроизвольное превращение о-Н2 в р-Н2 должно приводить к выделению тепла в количестве 340х0,75 =254 кал/моль. Эта теплота превышает теплоту испарения жидкого водорода, равную 228 кал/моль. Таким образом, самопроизвольное превращение о-Н2 в р-Н2 не позволяет организовать длительное хранение жидкого водорода. Как показало впоследствии изучение испаряемости жидкого Н2, только из-за процесса самопроизвольной конверсии о-Н2 в р-Н2 за первые же сутки испаряется 18% всей жидкости, а через 4 суток потери составляют 40%. Между тем, как было показано, жидкий р-Н2 можно сохранять в хороших хранилищах в течение многих месяцев.

Так возникла не совсем обычная и весьма сложная научная и прикладная проблема создания промышленного производства жидкого р-Н2.

 

В 1970-1971 гг. огромный объект по производству жидкого р-Н2 был введен в эксплуатацию. В государственную комиссию по пуску и его приемке в постоянную эксплуатацию входили представители проектной организации МХП СССР и Института катализа СО АН СССР. От Института в состав комиссии входил автор этих воспоминаний. В работе по пуску объекта принимал также участие О.П. Криворучко. Сам процесс пуска этого объекта заслуживает отдельного повествования. В воспоминаниях остался и самый яркий и ответственный момент. Это было в начале 1971 г. Когда объект был выведен на регламентный режим, все ожидали: быть или не быть 100%-ному жидкому р-Н2. Все члены государственной комиссии с каким-то исступленным напряжением поедали глазами шкалу анализатора р-Н2. Конечно же, мы с О.П. Криворучко были в наиболее "заряженном" состоянии. Мало ли что получалось у нас на лабораторной установочке. А здесь ведь именно мы отвечали за работу промышленного реакторного узла, за 100% р-Н2. Само по себе промышленное сжижение водорода в то время у нас в стране было уже освоено, был опыт.

И вот "поползла" стрелка анализатора р-Н2. Минуты казались бесконечностью, которая оборвалась на пределе шкалы - 100% р-Н2.

Итак, в короткие сроки в СССР был создан огромный уникальный промышленный объект по производству жидкого р-Н2 и весь комплекс системы его транспортировки и хранения. Жидкий водород подавался по трубопроводу длиной в сотни метров в специальные железнодорожные цистерны емкостью до 60 м3, где мог храниться сколь угодно длительное время и транспортироваться по железной дороге к потребителям. Чтобы представить себе, что такое 60 м3 жидкого р-Н2, напомним, что это около 46 тыс.нм3 газообразного водорода! И это всего лишь одна цистерна! А теперь напомним, что температура жидкого водорода ~ 20К, при которой воздух превращается в лед, а сталь ломается как стекло. Так что вся эта техника весьма наукоемка и необычна.

 

Есть же метан. УИ почти как у водорода,

 

Filas, вам нужно срочно глянуть в былую тему про водородную экономику. Там есть ссылка на толковые материалы, с цифрами объясняющие почему водород в чистом виде — это ацтой.

 

Для тех кто в танке. УИ 3600 и 4400 - это ну ОЧЕНЬ БОЛЬШАЯ разница! Профессиональный ЖРДист за потерю лишних 2% УИ порвет Вас как тузик грелку. За повышение УИ на 3% давали премию (сам получал). А здесь разница в 20%.Почуствуйте разницу.

 

В частности Глушко сильно сомневался в водороде. Он профессиональный ЖРДист или где?

 

Килограмм водорода и метана - разные вещи. Метан в 6 раз тяжелее

 

Метан здесь ближе к водороду нежели к керосину.

 

Метан не выкипает как водород, что дает ему преимущество на 2-3 ступенях.

 

Я задаюсь вопросом почему летающие ракеты летают на керосине, а Сатурн-5 с Шаттлом стоят в музее?

 

Да, выше. А плотность у метана выше. И температура лучше. И дешевле он.