Inovativní zásobník vodíku pro SLS

Pokroky v přípravě prvních exemplářů rakety Space Launch System (SLS) a kosmické lodi Orion pro Vás pravidelně připravuje kolega Jiří Hošek, ale dnes se podíváme na inovaci, která s provozem SLS souvisí, ale do vesmíru nikdy nepoletí. Pozemní vybavení je totiž pro každou raketu nezbytné a než přijde první start, musí se nové raketě všechno přizpůsobit. Na Floridě již začala stavba nádrže na zkapalněný vodík. Nebude jen tak ledajaká – na celém světě nenajdete větší zásobník kapalného vodíku. Při jeho stavbě budou použity inovativní metody, které vyvinula Kryogenní zkušební laboratoř sídlící přímo na kosmodromu.

Na začátek malá odbočka – před více než dvěma lety jsme vydali článek s názvem Kosmická lednička pro JWST místo bedny s ledem. V něm jsme se věnovali inovativní metodě chlazení přístroje MIRI pro Dalekohled Jamese Webba. Od NASA jsme tehdy přijali poměrně trefné přirovnání, které jsme nasadili i do nadpisu. Dříve se totiž u infračervených teleskopů pracovalo s chladicím médiem srovnatelně jako s bednou s ledem. Nově se však použije systém podobný běžné ledničce. Ptáte se, proč to zmiňujeme v souvislosti s vodíkovým zásobníkem pro SLS? I u něj NASA používá stejné přirovnání – přechází od bedny s ledem k moderní ledničce.

Kulový zásobník kapalného kyslíku obsluhoval už raketu Saturn V.

Kulový zásobník kapalného kyslíku obsluhoval už raketu Saturn V.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Když NASA poslala k Měsíci astronauty v rámci programu Apollo, bylo to na obří raketě Saturn V. Její druhý a třetí stupeň spalovaly směs kapalného vodíku a kapalného kyslíku. Než došlo k natankování těchto látek do samotné rakety, nacházely se v kulovitých zásobnících o objemu zhruba 3 215 000 litrů, které byly od rampy vzdálené zhruba půl kilometru. Tyto zásobníky po ukončení programu Apollo nezmizely- dalších třicet let je ke stejnému účelu používaly americké raketoplány.

Systém však již dnes stárne, což potvrzuje i James Fesmire, který na Kennedyho středisku pracuje jakožto hlavní vyšetřovatel Průzkumného a technologického programu: „Technologie pro skladování velkého množství kapalného kyslíku byly vyvinuty v první fázi druhé světové války. Materiály a postupy pro kapalný vodík a kapalný kyslík použité v zásobnících na rampách 39A a 39B vycházely z použití nerezové oceli, což bylo vyvinuto v padesátých letech.

Raketoplán Atlantis mířil v roce 2001 na rampu 39B před misí STS-104. V pozadí vidíme zásobník kapalného vodíku.

Raketoplán Atlantis mířil v roce 2001 na rampu 39B před misí STS-104. V pozadí vidíme zásobník kapalného vodíku.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Souvisejícím problémem těchto technologií byl významný odpar obou zkapalněných plynů, což byla komplikace, která provázela celý program Apollo i éru raketoplánů. Kapalný kyslík s kapalným vodíkem jsou v mnoha ohledech perfektní směsí pro pohon raket, protože dávají vysoký výkon, ale na druhou stranu jsou takzvané kryogenní látky, tedy hluboce podchlazené. Kyslík nabývá kapalného skupenství při -182°C a vodík dokonce až při -252°C. Vzhledem k okolním teplotám je to podobné jako kdybyste chtěli skladovat led v troubě.

Existující zásobníky využívaly prostoru mezi stěnami s odčerpaným vzduchem, které byly izolované metr silnou vrstvou perlitu,“ vysvětluje Adam Swanger, inženýr, který provádí výzkum na Kennedyho středisku a pokračuje: „Zásobníky vznikly v roce 1965 a tehdy šlo o špičku dostupné techniky. Ovšem součástí byl i značný odpar a s ním spojené nevyhnutelné ztráty materiálu.“ Podle jeho slov byla zhruba polovina množství zkapalněného vodíku, který byl objednán a načerpán do nádrží, byl ztracen vinou odparu a vůbec se nedostal ke třem motorům raketoplánu. „Věděli jsme, že musí existovat lepší cesta,“ vzpomíná Fesmire.

Doplňování zásobníku probíhá pomocí nákladních automobilů.

Doplňování zásobníku probíhá pomocí nákladních automobilů.
Zdroj: https://c1.staticflickr.com

Od roku 2001 začali Bill Notardonato, hlavní vědecký pracovník Technologického a výzkumného programu na Kennedyho středisku a Jong Baik z Floridského střediska solární energie pracovat na Kryogenní zkušební laboratoři. Jejím úkolem bylo objevit technologie, které mají za úkol minimalizovat výše popsané ztráty. Výsledkem jejich snažení je IRaS (Integrated Refrigeration and Storage – volně přeloženo jako Integrované chlazení a skladování), chladicí systém umožňující kontrolovat kapaliny v zásobnících.

Tento nový přístup nabízí přímý odvod tepla pomocí integrovaného tepelného výměníku společně s kryogenním chladicím systémem. Studie nové technologie začaly analýzami, modelováním a sérií laboratorních zkoušek. „IRaS je důležitý, protože umožňuje bezprecendentní kontroly nad skladovanými kryogenními látkami,“ uvádí Notardonato a dodává: „Dříve běžný odpar a významné ztráty se tak nyní stanou minulostí.

Schematický rozdíl mezi dřívější (vlevo) a novou (vpravo) metodou uchovávání kryogenních látek.

Schematický rozdíl mezi dřívější (vlevo) a novou (vpravo) metodou uchovávání kryogenních látek.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Nová technologie bude navíc doplněna i změnou izolačního materiálu – perlitový prášek nahradí skleněné bublinky. Na základě různých demonstračních zkoušek, které v roce 2015 proběhly na Stennisově středisku se ukázalo, že IRaS společně se skleněnými kuličkami dokáží zredukovat ztráty vodíku o 46 %. To je velmi důležité, jelikož nové zásobníky na kapalný vodík budou mít objem 4 730 000 litrů. NASA tedy přeneseně řečeno přestává skladovat led v polystyrenové krabici a místo toho jej uloží do mrazáku. Polystyrenová krabice totiž zpomalí tání ledu, ale nezastaví jej. Navíc nemá žádnou možnost ovládání. Podobné je to i s odparem kryogenních látek, které jsou uložené v izolovaném kontejneru – byť má nejlepší vakuovou izolaci stěn.

19. prosince 2018 začala stavba nového zásobníku na kapalný vodík u rampy 39B.

19. prosince 2018 začala stavba nového zásobníku na kapalný vodík u rampy 39B.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Mrazáky mají možnost ovládat teplotu, takže v nich může být led uložený prakticky po nekonečně dlouhou dobu. Kapalný vodík v systému IRaS to má stejné – navíc ani elektrická spotřeba není tak hrozná – 15 amerických centů za elektřinu ušetří vodík za jeden dolar – poměr zůstává stejný při použití různých měn a jejich setinových dílů.

Pro podporu rakety SLS začala na rampě 39B 19. prosince loňského roku stavba nového vodíkového zásobníku. Centrální i horní stupeň nové rakety pojmou 2 760 000 litrů zkapalněného vodíku a kyslíku pro pohon čtyř motorů na stupni centrálním a jednoho motoru na stupni horním. „Větší zásobník nám umožní pokusit se o start SLS ve třech po sobě jdoucích dnech,“ popisuje Fesmire a dodává: „V minulosti jsme si museli po dvou pokusech dát nucenou pauzu, aby mohly přijet náklaďáky s dalším kapalným vodíkem, který byl následně přečerpán do zásobníku.

Inovativní metody sice vyvinula NASA primárně pro potřeby rakety SLS, ale nikde není psáno, že se nemohou používat jinde. Adam Swanger poznamenal, že tyto inovativní postupy mohou využít i soukromé firmy jako SpaceX nebo Blue Origin. Vše souvisí se snahou udělat z floridské brány do vesmíru národní kosmodrom, který nepoužívá jen NASA, ale je otevřen mnoha uživatelům.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/0-43485369735_45b9ffa8b6_1.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/1-ap6-68-hc-91hr2.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/2c-01pp1186a.jpg
https://c1.staticflickr.com/2/1491/26172644733_55576a0df5_b.jpg
https://www.nasa.gov/…/files/thumbnails/image/4-cryogenic_storage_tank_technology.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/ksc-20181219-ph_kls01_0067.jpg

Inovativní zásobník vodíku pro SLS, 5.0 out of 5 based on 16 ratings
Pin It
(Visited 3 382 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (16 votes cast)
(Visited 3 382 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


31 komentářů ke článku “Inovativní zásobník vodíku pro SLS”

  1. Vojta napsal:

    Asi dost drahá legrace, ale je to nutné. Volně vypouštěný vodík navíc není nic moc pro ozónovou vrstvu, takže jeho omezení je užitečné i z ekologických důvodů.
    Jen mě napadá, jestli něco podobného v menším už nepoužívá SpaceX. Jak jinak by mohli tankovat podchlazený tekutý kyslík? Vodík je samozřejmě jiná liga.

    • ventYl napsal:

      Volne vypustany vodik nie je nic dobre ani pre zdravie ludi okolo, ak nahodou chyti. Bezpecnost bola pri tomto vzdy problemom.

      Kyslik je lacnejsi a dostupnejsi ako vodik, je mozne, ze si ho SpX nechava privazat chladnejsi nez je bezne pri tekutom kysliku.

      Inac mi to ako nieco uplne ze prevratne nepride. Je to skor evolucia nez revolucia. Asi ani nebudu prvi, co nieco take robia. Akurat budu prvi, co to robia v takom velkom meritku.

      • maro napsal:

        Jenže právě ta změna měřítka dost často vyžaduje revoluční detaily. Například už jen to, že tam nebude odpar, ale jen nějaké pojistné ventily znamená spoustu vývoje. O výrobě tak velkých chladicích aparátů ani nemluvě.

      • tycka napsal:

        V případě raketoplánu se odpařený vodík spaloval.
        Předpokládám proto, že se zde likvidoval stejně.

      • tycka napsal:

        Mám tím na mysli – jeho spalování v době, kdy plně na tankovaný raketoplán čekal na start.

  2. Jiří Hošek napsal:

    Doplním, že pro minimálně první start SLS bude použit stávající zásobník kapalného vodíku. Ten ale nemá dostatečnou kapacitu pro SLS Block 1B s kyslíkovodíkovým horním stupněm EUS.

  3. jirka44 napsal:

    První co mne napadá, že budou potřebovat mít hodně dobře zajištěné zálohování toho chladícího zařízení…

  4. zdeňek napsal:

    Tak tohle je velice zajímavé.

  5. Dan napsal:

    Tušil jsem, že ztráty na odparu LH2 budou nezanedbatelné, ale polovina je pro mě překvapením, čekal jsem vyšší jednotky / menší desítky procent.

  6. duro napsal:

    takze nasa objavila chladnicku
    gratulujem to je fakt velky uspech za ktory si urcite zasluzi aj nobelovu cenu 🙂

    • Dušan Majer napsal:

      Cítím ve Vašem komentáři jistou ironii. Je ale potřeba si uvědomit, že konstrukce zásobníku není nic malého a jeho stavba bude technicky náročná.

    • ventYl napsal:

      Noo, len do momentu, kym si clovek uvedomi, ze bezna chladnicka s beznym chladivom dokaze s rozumnym vykonom pracovat do teplotneho spadu dajme tomu tych 30-40 stupnov. Potom sa ucinnost drasticky prepada. Druhy problem je, ze v pretlakovej chladnicke chladiva potrebuju pracovat s vyparovanim a kondenzovanim chladiva. A to sa pri teplotach, pri ktorych je chladivo uz davno kvapalne a prakticky sa nevyparuje dost blbo realizovatelne.

      Pre taketo aplikacie sa pouzivaju stroje zalozene na principe stirlingovho motora pracujuce v “reverznom” rezime, kedy energia dodana zvonku (elektromotory) sposobuje precerpavanie tepla s pomerne dobrou ucinnostou. Pre taketo nizke teploty je to asi jediny prekticky realizovatelny sposob, ako ich dosiahnut. Ani ten to ale neda len tak, musia sa cerpadla kaskadovat za seba tak aby spad na jednej cerpadlovej skupine nebol prilis velky.

      • TomasM napsal:

        Tu masinu bych chtel videt. Chladit takove objemy na tak nizke teploty neni zadna sranda. Kdyby nekdo mel vice informaci, tak by to potesilo.

    • tycka napsal:

      Doufám, že mi podobnou chladničku levně dodáte – potřebujeme totiž dlouhodobě skladovat kapalný kyslík.
      Právě ty teploty na jaké chladí je si třeba uvědomit především !!!!

  7. lvy napsal:

    Tak jsem čekal skutečně něco převratného a nakonec nic, jen to, co by normálně ekonomicky uvažující člověk udělal už tak před 30 lety. Nejhorší na tom je však to, že pokud čtu správně, tak dojde k redukci ztrát pouze o 46% a navíc v rámci jednoho tankovacího cyklu bude ztráta řádově 600 000 litrů. Čekal bych, že když už vyhodí tolik miliard za SLS, tak budou tyto věcí víc vymakané. Škoda.

    • frank napsal:

      Celý výkřik mi přijde jen jako obuch na SLS , už třeba
      floskule “normální člověk ” hmmm .

      Tihle normálně uvažující člověci většinou očekávají zázraky na počkání a  nemožné do tří dnů:, případně nechtějí slevu zadarmo 🙂

      Pracovali na tom JEN od roku 2001 , no není to ” kýžených 30 let” takže všechno špatně, nic převratného :):):)

    • Dušan Majer napsal:

      Ono to není zase tak jednoduché. vodík je v tomhle směru docela potvora – samotná redukce o 46 % je velmi významná.

      • lvy napsal:

        Chápu, že určité ztráty budou při dopravě, ale při skladování? Jak to asi dělá výrobce, že je schopen vodík ochladit na tuto teplotu? Co tak použít to samé co má výrobce již desítky let? Aha, to by asi byla nuda. Prostě si myslím, že když už jde o taková množství, tak stojí za to tam postavit klasické chladící zařízení, které to uchladí beze ztrát.

        • Dušan Majer napsal:

          Ono se asi hodně ztratí tím půlkilometrovým transportem na rampu.

        • ventYl napsal:

          Vodik je tak trocha mrcha. Je to tak maly atom, ze je extremne problematicke akykolvek zasobnik 100% utesnit. Vodik dokaze difundovat do kovov a prejst cez povrchy, ktore su pre ine plyny nepriedusne aj pod tlakom. Nie je to problem technicky, alebo konstrukcny. Skor fyzikalny.

        • Jiří Hošek napsal:

          Ivy: “Jak to asi dělá výrobce, že je schopen vodík ochladit na tuto teplotu?”

          https://www.praxair.com/gases/buy-compressed-hydrogen-gas-or-liquid-hydrogen

        • frank napsal:

          VentYL vodík by také šlo používat jako helium k hledání netěsností 🙂 ale je to trošku nebezpečné, proto se používá helium.

          Třeba u  vysílacích elektronek se heliem hledalo jestli spoje keramika kov, nebo sklo kov a tělo elektronky jsou dokonale těsné právě héliem a to už hluboko před světovou válkou… ( Philipska ve Vršovicích, posléze výrobna Luftwaffe a pak Tesla Vršovice, dnes tuším sídlí někde u Říčan) 🙂 a kolikrát opravdu člověk měl šanci jen říci, že to někde utíka, ale zjistit kde nebylo prakticky možné ( některé ty elektronky váží až 50 kilo a jsoi vodou chlazené 🙂

    • tycka napsal:

      Používá pokud vím podstatně složitější a tím dražší zařízení:
      https://www.messer.cz/vyroba-vzdusnych-plynu

  8. Ondřej O napsal:

    Až díky takovýmto článkům si teprve laik uvědomí, jak komplexní a nákladná je celá infrastruktura související s lety do vesmíru. Děkuji.

  9. Alois napsal:

    Jestliže ztráty ve starých zásobnících byly 50% a v nových budou o 46% nižší, znamená to že budou stále kolem 25%. Na šedesát let vývoje se mi to výsledek jeví poněkud slabý.

    • Dušan Majer napsal:

      To bude tím, že jde o velmi složitou technologii.

    • Jiří Hošek napsal:

      Podle článku mluvil Adam Swanger o tom, že zhruba polovina množství zkapalněného vodíku, který byl objednán a načerpán do zásobníku, byl ztracen vinou odparu a vůbec se nedostal ke třem motorům raketoplánu. Chápu to tak, že šlo o odpar nejen ze zásobníku, ale i z půlkilometrového potrubí vedoucího k rampě, a pak z externí nádrže raketoplánu.

      Obecně při skladování vodíku při kryogenních teplotách běžně dochází vlivem přestupu tepla z okolí k postupnému odpařování, a tedy zvyšování tlaku uvnitř nádrže. Aby nedošlo k destrukci nádrže, musí být přebytečný tlak regulován odpouštěním odpařeného vodíku. Ovšem podle schematického rozdílu mezi současnou a novou nádrží (viz infografika v článku) bude nový zásobník obsahovat aktivní chlazení pro udržení kryogenních teplot, takže nepotřebuje a ani nebude mít přetlakový mechanismus pro odpar. Těch cca 25% zbývajících ztrát tedy zřejmě bude vznikat hlavně v půlkilometrovém potrubí k rampě a v samotné raketě.

  10. Jiří Hošek napsal:

    Nový zásobník kapalného vodíku bude postaven ve vzdálenosti cca 150 metrů od současného zásobníku, tady:
    https://www.google.com/maps/place/28°37'48.4%22N+80°37'05.9%22W/@28.6301111,-80.6200692,522m/data=!3m2!1e3!4b1!4m5!3m4!1s0x0:0x0!8m2!3d28.6301!4d-80.6183

Zanechte komentář