Bảo toàn Heli bằng phương pháp thanh lọc giới hạn khuếch tán các bình chứa hydro lỏng
12 tháng 12 năm 2024
Trung tâm Kỹ thuật và An toàn của NASA (NESC) đã phát triển một mô hình phân tích dự đoán sự khuếch tán giữa hai loại khí trong quá trình thanh lọc piston của các bình chứa hydro lỏng (LH2). Mô hình này giúp giải thích lượng heli tiết kiệm đáng kể được thấy trong quá trình thanh lọc gần đây của Trung tâm Vũ trụ Kennedy (KSC), cho thấy sự pha trộn nhiễu loạn không mong muốn đã xảy ra trong quá trình thanh lọc Bình chứa bên ngoài của Tàu con thoi và có thể áp dụng cho quá trình thanh lọc heli trong tương lai của các bình chứa LH2 của Tầng lõi Hệ thống Phóng Không gian.
Bối cảnh
Vào năm 2023, công việc đã hoàn thành trên một bình chứa hydro lỏng mới có dung tích 1,3 triệu gallon (174.000 feet khối chuẩn (scf)) tại KSC để hỗ trợ Hệ thống Phóng Không gian[1], xem Hình 1. Theo hợp đồng, nhà cung cấp đã giao bình chứa này chứa đầy nitơ dạng khí, giao cho bộ phận hoạt động mặt đất của KSC nhiệm vụ thay thế nitơ bằng heli: một bước cần thiết trước khi đưa hydro lỏng vào, chất này sẽ đóng băng nitơ. Các lần thanh lọc heli/nitơ trước đây trên kỷ nguyên Apollo/Tàu con thoi Các bình LH2 850.000 gallon (114000 scf) được thực hiện bằng cách bơm
nitơ ra, đưa heli vào, lấy mẫu và sau đó lặp lại nếu cần. Tuy nhiên, bình mới không có cổng chân không, vì vậy, thay vào đó, người ta quyết định đưa heli từ phía trên bình vào và đẩy nitơ ra khỏi đáy. Hai triệu scf heli đã được thu được và chuẩn bị sẵn sàng vì lo ngại hai loại khí này sẽ trộn lẫn với nhau, dẫn đến quá trình thanh lọc kéo dài và tốn kém. Đáng ngạc nhiên là quá trình thanh lọc từ trên xuống hoặc piston này đã dẫn đến việc thay thế nitơ bằng heli nhanh chóng, chỉ sử dụng 406.000 scf heli, ít hơn khoảng 1,6 triệu scf so với kế hoạch (với mức giá 1 đô la/scf, đây là khoản tiết kiệm 1,6 triệu đô la). Để hiểu rõ hơn về kết quả đáng chú ý này, NESC đã được yêu cầu giải quyết các câu hỏi; tại sao phương pháp này lại hiệu quả đến vậy và liệu có thể cải thiện thêm nữa không?
Hình 1: Bồn LH2 mới 1,3 triệu gallon
Khi nhận ra rằng quá trình thanh lọc bị giới hạn bởi sự khuếch tán và có thể mô hình hóa, các biến thể đã được nghiên cứu, dẫn đến ba kết luận quan trọng. Lưu lượng nên được tăng lên cho đến khi bắt đầu trộn hỗn loạn; một khi đã bắt đầu, quá trình thanh lọc không nên dừng lại vì điều này cho phép khuếch tán thêm xảy ra; và cố gắng cải thiện quá trình thanh lọc bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất thì không có nhiều lợi ích. Việc thanh lọc các quả cầu LH2 khổng lồ là rất hiếm, nhưng việc thanh lọc các bồn chứa trên máy bay là phổ biến. Năm 2008, dữ liệu thanh lọc từ ba Bồn chứa ngoài của Tàu con thoi đã được đo bằng máy quang phổ khối và NESC được yêu cầu áp dụng mô hình khuếch tán vào dữ liệu này. Việc thực hiện điều này đã cho thấy
bằng chứng cho thấy sự trộn hỗn loạn đã xảy ra, cho thấy lưu lượng cần phải giảm. Việc có một mô hình như vậy đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc sử dụng quá trình thanh lọc heli kiểu piston tại KSC, với mục tiêu tiết kiệm heli và nhân lực. Công việc này hiện có thể áp dụng trực tiếp để thanh lọc bồn chứa LH2 trên Tầng lõi Hệ thống phóng không gian.
Cảm biến khí nhị phân
Trong quá trình thanh lọc trước đây, các mẫu khí được đưa đến phòng thí nghiệm để chỉ ra trạng thái thanh lọc nhưng việc làm như vậy đối với thanh lọc piston sẽ gây ra sự chậm trễ về thời gian, cho phép xảy ra sự khuếch tán không mong muốn. May mắn thay, một đánh giá độc lập của NESC[4] đã đánh giá một cảm biến khí nhị phân, với sự kết hợp tuyệt vời giữa chi phí, kích thước, công suất và trọng lượng để triển khai tại hiện trường, cung cấp khả năng giám sát nhanh chóng theo thời gian thực về tỷ lệ khí thanh lọc. Sử dụng cảm biến này đã giúp thanh lọc piston của bình LH2 mới thành công.
Tài liệu tham khảo
Fesmire, J.; Swanger, A.; Jacobson, J; và Notardonato, W.: “Lưu trữ hydro lỏng hiệu quả về mặt năng lượng trên quy mô lớn”, Trong IOP Conference Series: Materials
Science and Engineering, tập 1240, số 1, trang 012088. IOP Publishing, 2022.
Youngquist, R.; Arkin C.; Nurge, M.; Captain, J.; Johnson, R.; và Singh, U.:
Bảo tồn Heli bằng phương pháp thanh lọc giới hạn khuếch tán của các bình chứa hydro lỏng,
NASA/TM-20240007062, tháng 6 năm 2024.
Singh, U.: Đánh giá và thử nghiệm các cảm biến hydro kỵ khí cho
Chương trình hệ thống mặt đất thăm dò, NASA/TM-20240012664, tháng 9 năm 2024.
