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就在十年前，美國宇航局的航天飛機最后一次在美國著陸，標志著歷史上最成功的太空計劃之一的結(jié)束。一艘與眾不同的飛船，航天飛機像火箭一樣發(fā)射，然后像滑翔機一樣降落在地球上，將宇航員運送到太空并返回太空長達 30 年。
世界上第一個可重復(fù)使用的航天器由四個元素組成——航天飛機本身，也稱為軌道器，加上一對固體火箭助推器和一個外部燃料箱。也許最容易辨認的是外部油箱，熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機起飛時的大多數(shù)圖像中占主導(dǎo)地位。它有超過 15 層樓高，是穿梭機棧中最大的部分。
從噴涂在油箱鋁結(jié)構(gòu)上的泡沫絕緣材料中獲得其標志性的橙色，以防止超冷推進劑蒸發(fā)過快和外部積冰，油箱的主要工作是提供約 535,000 加侖的超冷液氫和向航天飛機的三個主發(fā)動機輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是性能最高的推進劑組合之一，NASA 使用它的歷史甚至可以追溯到航天飛機計劃。
NASA 的 15,000 磅推力二級火箭 Centaur 在 1960 年代首次成功證明了液態(tài)氫作為火箭燃料的可行性。Centaur 執(zhí)行了幾項關(guān)鍵任務(wù)，為阿波羅計劃中使用的土星五號火箭鋪平了道路，從而在整個 1960 年代和 1970 年代成功登陸月球。
“大規(guī)模的液態(tài)氫在 1950 年代真正起飛，主要是由國防相關(guān)活動推動的。當 NASA 在 1960 年代初期開始使用它時，對氫氣的需求與性能有關(guān)。這仍然是它的全部內(nèi)容，”美國宇航局肯尼迪航天中心低溫測試實驗室首席研究員亞當斯瓦格向 H2 View 解釋道。
“對于火箭推進劑，你總是會使用液氧，然后你真的只有三種燃料選擇——氫氣、甲烷或天然氣，然后是我們所說的 RP1，它是精制煤油。在這三種組合中，液氫和液氧是性能最高的一種。一旦你離開大氣層進入太空，從性能的角度來看，這就是液氧和液氫真正閃耀的地方。
“這就是為什么土星五號的第二和第三階段使用這種組合。第一級——每個人都認為土星五號的巨型級——有五個使用液氧和 RP1 的發(fā)動機。但是第二級和第三級是液氫和液氧，因為一旦進入太空，我們就需要這種性能。這要求我們在發(fā)射臺建造這些大型、復(fù)雜的低溫儲存和傳輸系統(tǒng)。我們在肯尼迪為阿波羅建造了發(fā)射臺 A 和 B。它們基本上是相同的布局，但它們需要相當大的液氫和液氧系統(tǒng)才能為火箭提供燃料?！?/span>
液氫今天仍然是美國太空探索的標志性燃料，目前全世界的一個熱門話題是它可以用來為明天的零排放商用飛機提供燃料。那么美國宇航局今天如何獲得氫氣，未來它會是綠色的嗎？
“這是一個很好的問題，現(xiàn)在是一個非常流行的話題，”斯旺格回答道。
“佛羅里達州沒有任何大型氫氣液化器；雖然很久以前就有了。我們從墨西哥灣沿岸地區(qū)（阿拉巴馬州或路易斯安那州）采購液態(tài)氫。它一直被卡車運送到數(shù)百英里，才能到達墊子。他們一波波地涌來，一次五艘左右。
“在早期，他們實際上有液氫軌道車，所以他們將穿過液氫罐的軌道放在墊子上，并通過火車運送液體。但由于某種原因，這種方式很快就過時了，從那時起，公路油罐車一直是首選方法。
“但回到關(guān)于綠色氫的問題，到目前為止，不，我認為我們購買的液體中沒有多少是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個巨大話題。推動每個行業(yè)向氫能過渡的動力實際上是由存在于那里的潛在未來推動的，在那里您既可以制造氫，也可以使用零碳排放的氫。它是唯一可以賦予您這種能力的燃料。
“而且我一直認為，從消息傳遞的角度來看，我覺得我們作為氫的技術(shù)社區(qū)和推動者，在傳達宇宙給我們氫的一份特別禮物方面做得還不夠好！事實是，我們提供此選項只是一個巧合。不一定必須有一種燃料既可以制造又可以零碳排放地使用，如果我們有意愿，我們就可以使用它，并且可以找出技術(shù)部分，我認為這就是一個重要的話題。”
目前，世界上大部分液態(tài)氫是通過稱為蒸汽甲烷重整 (SMR) 的過程產(chǎn)生的，該過程會產(chǎn)生大量二氧化碳。
“全球的目標是用電解槽從 SMR 過渡。從經(jīng)濟上講，完全過渡需要一段時間，因為 SMR 是一個完善的流程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用 SMR 并捕獲 CO2，你會得到藍色的氫氣。會有那些橋梁顏色讓我們進入綠色。我認為它會相當快地接管，因為有這樣一種推動事物走向綠色的一面，”斯旺格說。
“回顧航天飛機計劃和之前，液態(tài)氫是一個非常小眾的東西。沒有多少行業(yè)使用它，它遠離每個人的視線，我認為沒有人真正關(guān)心它是如何生產(chǎn)的，因為它只是無關(guān)緊要?，F(xiàn)在完全不一樣了。”
除了用作火箭推進劑之外，NASA 還通過燃料電池獲得了氫氣方面的更多經(jīng)驗，燃料電池在阿波羅和航天飛機飛行器中用作太空中電力和水的主要來源。
“燃料電池是推動整個氫能企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國宇航局從事燃料電池業(yè)務(wù)已有一段時間了，”斯旺格熱情地說道。
“與他們現(xiàn)在擁有的用于阿波羅和航天飛機的燃料電池相比，它們非常龐大且效率低下?，F(xiàn)在你可以得到真正有效的，我可以放在桌子上。
“使氫如此驚人的原因不僅在于它能夠以液態(tài)形式在世界各地移動大量能量，即能量載體方面，而且還一直到微觀使用水平，從個人車輛到火箭。
“而燃料電池確實是推動這一進程的主要動力，因為如果你制造這些非常高效的燃料電池，并且將它們做得非常小且非常具有成本效益，那么只要你有可用的氫氣，你就可以真正將它們放入任何東西中。
“燃料電池不需要液體，它們只需要氣體。從液體使用的角度來看，液體本身的最終用途并不多?；鸺l(fā)動機恰好是少數(shù)在最終使用點實際消耗液體的發(fā)動機之一。
“基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在是一個挑戰(zhàn)，我們正在努力建立它，但如果你有可用的氫氣，那么你幾乎可以使用燃料電池為你想要的任何東西供電。因此，這確實推動了這一領(lǐng)域的大量加速和采用?！?/span>
談到與當今廣泛使用的 LNG 相比，氫氣面臨的進一步挑戰(zhàn)，Swanger 繼續(xù)說道，“液態(tài)氫比 LNG 冷得多，液化和處理需要更多的能源。這就是許多社區(qū)現(xiàn)在正在努力的地方，以弄清楚如何將我們所知道的 LNG 儲存（我們已經(jīng)做了幾十年）應(yīng)用到大型液氫罐中，還有什么差距我們需要解決。有挑戰(zhàn)，但在我看來都是可以實現(xiàn)的。”
隨著 NASA 展望即將到來的將美國宇航員送回月球的 Artemis 任務(wù)，氫將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。航天局剛剛對肯尼迪航天中心世界上最大的液氫儲罐進行收尾工作，該儲罐將為太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭提供燃料。
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