Pusat Komposit Nasional Inggris (NCC) telah mengembangkan demonstran tangki penyimpanan hidrogen cair luar angkasa dengan panjang 750mm, diameter 450mm, dan menampung lebih dari 96 liter hidrogen cair.

Tangki dirancang dan diproduksi dengan ketebalan dinding nominal 4,0 hingga 5,5 mm, sehingga mampu menahan tekanan 85 bar. Bodi komposit serat karbon hanya berbobot 8 kilogram, dan optimalisasi bobot lebih lanjut direncanakan. NCC menggunakan prepreg serat karbon epoksi MTC510 lebar 300mm. MTC510 adalah sistem resin epoksi yang dirancang untuk menyembuhkan antara 80°C dan 120°C dan diperkuat untuk meningkatkan toleransi kerusakan. BINDATEX menyediakan pita prepreg, yang dipotong secara tepat hingga lebar 6,35 mm dan dikembalikan sebagai material sepanjang 22.000 meter untuk digunakan dalam peralatan penempatan serat otomatis (AFP) Coriolis. Perangkat Coriolis AFP digunakan untuk melilitkan pita prepreg 6,35 mm di sekitar cetakan yang dapat dicuci, dengan proses penggulungan dikontrol oleh perangkat lunak khusus untuk mengatur penggulungan heliks dan lingkaran. Proses penggulungan, dengan lebih dari 24 lapisan dan ketebalan hingga 5,5 mm, dapat disesuaikan untuk mengoptimalkan kebutuhan tekanan atau beban spesifik tangki.

Cetakan inti, dengan ketebalan dinding 30mm, dicetak menjadi dua bagian dan kemudian diikat menjadi satu. Alat ini mencakup tiga cincin penguat internal yang dapat dicuci dan dirancang untuk menahan beban puntir yang diharapkan selama penempatan lapisan komposit otomatis dan tekanan yang diterapkan selama proses pengawetan autoklaf. Port katup cairan logam diintegrasikan ke dalam cetakan inti yang dapat dicuci, sehingga menghilangkan kebutuhan perakitan sekunder dan operasi pengikatan pada produk akhir. Pelabuhan-pelabuhan ini diikat dengan komposit karbon pada tahap akhir proses manufaktur. Setelah penggulungan, tangki diperiksa apakah ada cacat dan variasi ketebalan, dikeringkan dalam autoklaf pada suhu 100°C, dan diperiksa kembali. Pengujian non-destruktif pasca-penyembuhan (NDT) menggunakan C-scan ultrasonik dan termografi dibandingkan untuk mengidentifikasi cacat seperti delaminasi dan porositas. Terakhir, cetakan inti bagian dalam dibilas dengan air dingin bertekanan untuk memastikan rongga tangki bersih.

Mengapa Menggunakan Hidrogen Cair di Pesawat Sipil?

Hidrogen memiliki kepadatan energi berat 33,3kWh/kg dibandingkan dengan minyak tanah yang 12kWh/kg. Pada tekanan dan suhu normal, hidrogen memiliki massa jenis 0,090kg/m³. Pada 700 bar (700 kali tekanan atmosfer normal), massa jenis hidrogen adalah 42kg/m³, sehingga tangki 125L dapat menyimpan 5kg hidrogen. Pada suhu -252,87°C dan 1,013 bar, hidrogen cair memiliki kepadatan mendekati 71kg/m³, sehingga tangki 75L dapat menyimpan 5kg hidrogen. Menyimpan hidrogen cair dalam tangki bersuhu rendah membantu mengurangi volume lebih lanjut.

• 3000 liter gas hidrogen pada suhu dan tekanan normal setara energinya dengan 1 liter minyak tanah penerbangan.

• 6 liter gas hidrogen pada 700 bar setara energinya dengan 1 liter minyak tanah penerbangan.

• 4 liter (1,05 galon) hidrogen cair pada -252,87°C dan 1,013 bar menghasilkan energi yang sama dengan 1 liter minyak tanah penerbangan.

Dari data tersebut terlihat jelas bahwa penyimpanan hidrogen cair (-252,87°C) membutuhkan volume tangki penyimpanan yang paling kecil. Volume tangki yang lebih kecil lebih mudah diintegrasikan ke dalam bentuk aerodinamis pesawat.

Masalah Teknis Utama pada Tangki Penyimpanan Hidrogen Cair Suhu Rendah (-252,87°C):

1. Menjaga Hidrogen Cair Tangki Di Bawah -253°C:Saat ini, struktur berinsulasi vakum digunakan antara tangki bagian dalam dan luar. Tangki bagian dalam terbuat dari komposit resin yang diperkuat serat karbon, sedangkan tangki bagian luar berisi beberapa lapisan insulasi khusus.

2. Memasang dan Memelihara Sistem Internal di Tangki:Tantangan dalam memasang dan memelihara jaringan pipa dan komponen sistem di dalam tangki jika menggunakan proses penggulungan fiber saat ini.

3. Pemilihan Material Tangki dan Komponen Internalnya:Dampak lingkungan bersuhu rendah (-252,87°C) terhadap material yang digunakan untuk tangki dan komponen internalnya.

4. Teknik Pengujian Suhu Rendah dan Teknologi Pengelolaan Lumpur Bahan Bakar.

5. Lepas Landas dan Pendaratan yang Sering dan Bertahan:Tangki hidrogen harus mampu menahan sekitar 20.000 kali lepas landas dan mendarat.

Dampak terhadap Struktur Pesawat

Tangki bahan bakar pada struktur sayap pesawat merupakan rongga yang digunakan untuk menyimpan bahan bakar. Tangki sayap A320 dapat menyimpan sekitar 20 ton minyak tanah penerbangan (mirip dengan Boeing 737 dan COMAC C919). Mengganti minyak tanah dengan hidrogen cair, tangki hidrogen cair berbentuk silinder berukuran 94m³ hanya dapat dipasang di badan pesawat belakang, sehingga memerlukan perpanjangan badan pesawat yang signifikan. Badan pesawat belakang berbentuk kerucut dengan diameter maksimal kurang dari 4m. Memperluas badan pesawat untuk menampung tangki berukuran 94m³ saja tidaklah praktis; Oleh karena itu, diameter badan pesawat juga harus diperbesar.

Pada desain A320 baru, tangki berbentuk bulat dan berbentuk kerucut dipasang di bagian belakang badan pesawat. Namun, apakah diameter badan pesawat akan diperbesar masih belum jelas, meski kemungkinan besar akan bertambah. Inggris telah meluncurkan desain pesawat sipil bertenaga hidrogen cair, dengan pesawat berbadan sempit “FZN-1E” untuk menggantikan A320 saat ini. Desain baru ini memanjangkan badan pesawat sebesar 10 m, menambah diameter sebesar 1 m, memiliki tata letak kabin lorong ganda, sayap yang didesain ulang, tambah"pesawat depan"di hidung, dan mesin dipasang di ekor.

Kemajuan

Mesin pesawat sipil hadir dalam dua jenis: mesin turboprop dan mesin turbojet. Untuk pesawat dengan mesin turboprop, hidrogen menghasilkan listrik melalui sel bahan bakar untuk menggerakkan generator yang menggerakkan baling-baling. Jenis mesin ini terutama dipasang pada pesawat regional dengan 10 hingga 70 kursi dan pesawat penerbangan umum kecil. Penelitian awal berbahan bakar hidrogen dimulai dengan jenis pesawat ini. Pada tanggal 12 April, pesawat hidrogen-listrik “HY-4” 4 tempat duduk Jerman berhasil terbang dari Stuttgart ke Friedrichshafen. Akhir tahun ini, kita mungkin melihat pesawat hidrogen-listrik “Dornier” dengan 19 kursi dan “Q-400” dengan 75 kursi dan “ATR72-600” di angkasa. Pada bulan April 1988, Uni Soviet menguji coba Tu-155 yang dimodifikasi dengan mesin turbojet hidrogen cair. Setelah pembubaran Uni Soviet, Rusia tidak melanjutkan penelitian ini.

Saat ini, hanya empat perusahaan secara global yang memproduksi dan mengembangkan pesawat sipil dengan lebih dari 100 kursi: Boeing, Airbus, COMAC, dan Rusia. Menurut laporan media asing baru-baru ini, hanya Boeing dan Airbus yang melakukan penelitian aktual tentang aplikasi pesawat sipil hidrogen cair. Proyek Boeing, yang dilakukan lebih dari satu dekade lalu pada skala kecil"Dimona"propeller glider, merupakan tahap awal. Airbus berada di depan, setelah memulai uji penerbangan ketinggian tinggi dengan mesin turbofan berbahan bakar hidrogen cair. Mereka juga telah memberikan desain awal untuk tiga jenis pesawat: pesawat baling-baling, pesawat 150 kursi, dan pesawat berbadan lebar. Informasi lebih lanjut tersedia untuk pesawat berkapasitas 150 kursi ini, yang dirancang untuk menggantikan pesawat A320 berlorong tunggal dengan 150 kursi yang telah ada di pasaran selama hampir 40 tahun. Airbus berencana meluncurkan a"A320 baru"antara tahun 2030 dan 2035. Pesawat baru ini akan menampilkan"elang laut"konfigurasi aerodinamis dengan rasio aspek sangat tinggi, ujung sayap dapat dilipat dan mengepak, dan tanpa penutup fairing. Bahan yang digunakan adalah komposit resin epoksi yang diperkuat serat karbon termoset untuk sayap dan komposit serat karbon termoplastik berkinerja tinggi untuk badan pesawat. Pesawat baru ini akan menggunakan hidrogen cair sebagai pengganti minyak tanah penerbangan, dengan tujuan desain dan manufaktur untuk memproduksi 70-100 pesawat per bulan. Airbus jauh di depan Boeing dalam mengembangkan pesawat berbahan bakar hidrogen cair (tidak ada informasi yang dilaporkan tentang penggantian Boeing 737 dengan hidrogen cair).

Apa yang bisa kita lakukan?

Penggunaan hidrogen sebagai pengganti bahan bakar fosil tidak hanya mengatasi emisi karbon namun juga memiliki kepentingan strategis bagi negara-negara yang kekurangan sumber daya minyak. Tiongkok adalah produsen hidrogen terbesar di dunia, dengan produksi tahunan sekitar 33 juta ton. Beberapa perusahaan terlibat dalam produksi hidrogen cair, dan Tiongkok adalah produsen serat karbon terbesar kedua secara global. Oleh karena itu, pengembangan dan produksi tangki penyimpanan hidrogen komposit memiliki landasan material yang kokoh.

Berbagai tangki penyimpanan hidrogen cair dirgantara dan penerbangan yang dibahas dalam artikel ini menunjukkan bahwa tangki penyimpanan dirancang dan diproduksi untuk memenuhi kebutuhan spesifik dan ruang struktural berbagai produk. Saat ini, banyak produk industri yang masih menggunakan bahan bakar fosil atau jaringan listrik. Negara-negara ini dapat mempertimbangkan untuk beralih ke tenaga hidrogen. Ada beragam produk yang perlu dikembangkan di bidang penyimpanan hidrogen, dan banyak tugas yang menanti kita.

Beberapa data dalam artikel ini yang bersumber dari internet telah berulang kali diverifikasi keakuratannya. Data ini dapat digunakan untuk memperkirakan dimensi desain awal dan kapasitas tangki penyimpanan hidrogen.