Lịch sử Hydro của NASA định hình tương lai Hydro của thế giới
Bể chứa hydro lỏng lớn nhất thế giới là hình mẫu cho những điều lớn lao hơn nhiều sắp tới
Bể chứa hydro lỏng mà CB&I vừa chế tạo, lớn nhất thế giới, được đặt tại Khu phức hợp Phóng 39B của Trung tâm Vũ trụ Kennedy, nơi nó sẽ hỗ trợ các vụ phóng SLS (Hệ thống Phóng Không gian) của NASA, như hình ảnh phía sau. Kể từ khi thành lập, cơ quan vũ trụ này đã là đơn vị dẫn đầu về công nghệ hydro, vốn ít được sử dụng ngoài ngành tên lửa. Nguồn: CB&I
CB&I tại The Woodlands, Texas, đã chế tạo bể chứa hydro lỏng lớn nhất thế giới tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy để hỗ trợ các vụ phóng Artemis. Kinh nghiệm với các kỹ thuật xây dựng mới, công nghệ cách nhiệt tiên tiến và khả năng làm lạnh siêu âm sẽ giúp công ty và các công ty khác chế tạo các bể chứa lớn hơn, tốt hơn cho cơ sở hạ tầng năng lượng hydro.
Bể chứa hydro lỏng lớn nhất thế giới, một quả cầu có đường kính 83 feet (khoảng 25 mét), tọa lạc tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy của NASA ở Florida, tại Khu phức hợp Phóng 39B lịch sử, nơi nó được hoàn thành vào năm 2022. Bể chứa giữ kỷ lục trước đó chỉ cách đó vài trăm feet (khoảng 100 mét). Bể chứa đó, có sức chứa khoảng hai phần ba so với bể chứa mới, được xây dựng vào những năm 1960 để hỗ trợ các vụ phóng tàu Apollo.
“NASA là đơn vị sử dụng hydro lỏng lớn nhất thế giới trong nhiều thập kỷ”, Adam Swanger, nhà nghiên cứu chính tại Phòng thí nghiệm Thử nghiệm Nhiệt độ Lạnh của Kennedy, cho biết. “Tên lửa từ lâu đã là một nguồn sử dụng hydro lỏng khổng lồ, nhưng xét trên tổng thể, đó là một ứng dụng rất nhỏ và chuyên biệt.”
Hình ảnh cắt ngang này cho thấy bên trong bể chứa hydro lỏng mới của Kennedy, bao gồm chân không giữa các quả cầu bên trong và bên ngoài, cùng bộ trao đổi nhiệt sẽ bơm heli lỏng qua hai cuộn dây nằm ngang được treo trên một giàn giáo thẳng đứng ở giữa bể. Heli là nguyên tố duy nhất có điểm sôi thấp hơn hydro. Nguồn: NASA
Thị trường hydro, đặc biệt là ở dạng lỏng đông lạnh, chưa thực sự sôi động. Điều này có thể sắp thay đổi, và bồn chứa mới tại Kennedy đang góp phần mở đường cho một tương lai mà loại nhiên liệu thân thiện với môi trường nhất này đóng một vai trò quan trọng hơn nhiều.
Cả hai bồn chứa đông lạnh tại 39B đều được chế tạo bởi CB&I, trước đây gọi là Công ty Chicago Bridge & Iron, có trụ sở chính tại The Woodlands, Texas. Theo công ty, những bài học kinh nghiệm và kỹ thuật được phát triển trong dự án gần đây nhất này — và qua nhiều thập kỷ hợp tác với NASA — sẽ giúp họ chế tạo được những bồn chứa lớn hơn nữa.
Hydro lỏng là nhiên liệu tên lửa được NASA ưa chuộng, và bồn chứa mới, cùng với bồn chứa cũ, sẽ cung cấp cho cơ quan này không chỉ khả năng đáp ứng nhu cầu nhiên liệu lớn hơn của tên lửa đẩy hạng nặng SLS (Hệ thống Phóng Không gian) mới mà còn có thể thực hiện nhiều lần phóng liên tiếp. Các vụ phóng thường bị trì hoãn, hoặc "bị hủy bỏ", do thời tiết hoặc các yếu tố khác, và rất nhiều hydro bị thất thoát khi được chuyển từ bồn chứa nhiên liệu tên lửa trở lại kho chứa sau khi bị hủy bỏ.
Vượt qua những thách thức của việc mở rộng quy mô
Các kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Thử nghiệm Nhiệt độ Lạnh của Kennedy đã trang bị một bình chứa hydro lỏng nhỏ hơn, như trong hình, với bộ trao đổi nhiệt để thử nghiệm ý tưởng làm lạnh bình chứa này trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến năm 2015. Bình chứa vừa được xây dựng tại khu phức hợp phóng của Kennedy sẽ là bình chứa đầu tiên sử dụng khái niệm làm lạnh và lưu trữ tích hợp trong vận hành. Nguồn: NASA
Hydro lỏng rất khó xử lý ở bất kỳ quy mô nào. Với điểm sôi là âm 227°C — lạnh đến mức nó có thể đóng băng bất kỳ loại khí rắn nào tiếp xúc với nó, ngoại trừ heli — nó phải được cách nhiệt hoàn toàn khỏi môi trường xung quanh. Để đạt được điều này, hầu hết các bình chứa hydro lỏng đều sử dụng lớp cách nhiệt chân không bên trong thành bình, điều này khiến áp suất trở thành một vấn đề, đặc biệt là trong các bình chứa lớn hơn.
“Việc xây dựng một quả cầu bên trong một quả cầu đã là một thách thức”, Mark Butts, Giám đốc điều hành của CB&I, cho biết, đồng thời lưu ý rằng kích thước của bình chứa này đòi hỏi công ty phải xây dựng cả quả cầu bên trong và bên ngoài cùng một lúc tại chỗ. “Chúng tôi đã phải phát triển một trình tự xây dựng sáng tạo.”
Sau đó, khi khoảng không giữa các thành trong và ngoài được lấp đầy bằng vật liệu cách nhiệt, vốn phải khô hoàn toàn, toàn bộ không khí phải được hút ra ngoài, một quá trình khá dài. Chênh lệch áp suất do chân không gây ra có thể đòi hỏi thép phải dày - đặc biệt là trong một bể chứa lớn - đến mức cần phải xử lý nhiệt để giảm ứng suất hàn, điều mà Butts cho biết sẽ không khả thi trong một quả cầu đôi với thép không gỉ ở lớp vỏ bên trong. "Chúng tôi đã loại trừ nhu cầu đó bằng cách quản lý độ dày của thép bằng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến", ông nói.
Bể chứa này cũng là bể đầu tiên sử dụng một loại vật liệu cách nhiệt mới, được Phòng thí nghiệm Kiểm tra Nhiệt độ Lạnh tại Kennedy xác nhận thông qua các thử nghiệm mở rộng bắt đầu từ đầu những năm 2000. Trong khi các bể chứa cách nhiệt chân không khác được xây dựng tại hiện trường được cách nhiệt bằng perlite, một loại đá núi lửa nở ra được biết đến nhiều nhất là những mảnh vụn màu trắng trong đất bầu, thì thử nghiệm của NASA cho thấy có thể giảm khoảng 46% tổn thất bay hơi bằng cách sử dụng một loại thiếc.
Bong bóng thủy tinh thường được sử dụng làm vật liệu độn nhẹ, không phải vật liệu cách nhiệt.
Tại đây, bộ trao đổi nhiệt được nâng lên bên trong bình chứa hydro lỏng mới của NASA trước khi các quả cầu đồng tâm của bình được hoàn thiện. Nó sẽ cho phép tích hợp làm lạnh và lưu trữ hydro lỏng đầu tiên trên thế giới. Nguồn: NASA
Hiện tượng sôi trào xảy ra khi một lượng nhiệt nhất định từ môi trường bên ngoài thấm vào bình, khiến chất lỏng liên tục bốc hơi thành khí và phải được xả ra ngoài.
“Việc xử lý các bong bóng thủy tinh rất khó khăn”, Butts nói. “CB&I đã có được kinh nghiệm quý báu khi làm việc với vật liệu mới này.”
Đây cũng là bình chứa đầu tiên thuộc loại này được tích hợp bộ trao đổi nhiệt bên trong, cho phép Kennedy kết nối bình với một thiết bị làm lạnh siêu lạnh và loại bỏ hoàn toàn hiện tượng sôi trào. Đây là một khái niệm khác mà Swanger và nhóm của ông đã chứng minh bằng cách sử dụng một bình chứa hydro lỏng nhỏ hơn trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến năm 2016. Các thử nghiệm cho thấy cứ mỗi đô la chi cho điện năng làm lạnh sẽ tiết kiệm được 7 đô la hydro lỏng.
Swanger cho biết một phân tích của NASA về chuỗi cung ứng nhiên liệu đẩy trong hơn 30 năm của Chương trình Tàu con thoi cho thấy khoảng một nửa lượng hydro lỏng mua vào đã bị thất thoát, thông qua quá trình chưng cất và các phương thức khác. Ông cũng lưu ý rằng giá hydro có thể biến động, làm tăng thêm tính cấp thiết của việc kiểm soát tổn thất.
NASA vẫn đang tìm cách làm lạnh một bể chứa lớn như vậy, và chuỗi cung ứng hiện tại cho các bong bóng thủy tinh sẽ khiến việc sử dụng rộng rãi chúng trong các bể chứa trở thành một thách thức, nhưng Swanger cho biết cả hai phát triển này đều có tiềm năng được áp dụng rộng rãi trong tương lai. Ông ví công nghệ làm lạnh, đặc biệt, giống như tủ lạnh và tủ đông hiện đại đã thay thế tủ đá.
Ông cho biết hiện tại, các nhà vận hành không thể kiểm soát trực tiếp các điều kiện bên trong bể chứa và tổn thất do chưng cất gây ra. "Bạn chỉ cần mua một ít chất lỏng, và bạn sử dụng bất cứ thứ gì bạn dùng, và bạn mất những gì bạn mất, và bạn mua thêm." Ông cho biết việc áp dụng công nghệ làm lạnh sẽ "không chỉ đơn thuần là tiết kiệm chi phí thông qua việc không bốc hơi. Mà còn là việc giành quyền kiểm soát, điều này có tác động lan tỏa tích cực đến toàn bộ doanh nghiệp. Và đó là lý do tại sao bể chứa này thực sự có thể tạo ra một tiền lệ quan trọng cho tương lai của việc lưu trữ hydro lỏng."
Năng lực Thay đổi
Bể chứa mới có thể chứa khoảng 4.730 mét khối hydro lỏng, nhưng CB&I hiện đang cung cấp khả năng thương mại hóa việc xây dựng các bể chứa hydro lỏng với dung tích lên tới 40.000 mét khối, "dựa trên 60 năm kinh nghiệm của chúng tôi, nhưng đặc biệt là dựa trên dự án này", Butts cho biết. "Công trình tại NASA thực sự đã giúp phát triển và chứng minh một số kỹ thuật xây dựng quy mô lớn này."
Hydro là nhiên liệu duy nhất có thể được sản xuất và tiêu thụ mà không thải ra bất kỳ khí độc hại nào — "một lựa chọn mà vũ trụ không có nghĩa vụ phải cung cấp cho chúng ta", Swanger chỉ ra. "Do đó, chúng ta nên tích cực tận dụng nó." Các chính phủ và công ty trên khắp thế giới đã bắt đầu đầu tư mạnh vào công nghệ sản xuất, vận chuyển và tiêu thụ hydro. Năm ngoái, Hoa Kỳ đã công bố khoản đầu tư 7 tỷ đô la vào các trung tâm hydro trên khắp đất nước. Kennedy và CB&I cũng là một phần của một liên doanh do công ty dầu khí Shell dẫn đầu và được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ một phần. Liên doanh này đang tiến hành thử nghiệm xây dựng một bể chứa có sức chứa 100.000 mét khối hydro lỏng, lớn hơn gấp 20 lần kích thước bể chứa mới của Kennedy.
“Toàn bộ nỗ lực khử cacbon toàn cầu được cho là đòi hỏi khối lượng lưu trữ hydro cao hơn nhiều so với hiện nay”, Butts nói. Hydro có thể được thu hoạch từ nước bằng năng lượng tái tạo và sau đó được sử dụng trong pin nhiên liệu hoặc bằng cách đốt để cung cấp năng lượng cho tua-bin. Tuy nhiên, những nơi tốt nhất để tạo ra năng lượng tái tạo – ví dụ như các trang trại năng lượng mặt trời ở vùng nội địa hoang vắng, nắng nóng của Úc – thường nằm xa các trung tâm dân cư cần năng lượng. Tàu thuyền và cảng biển sẽ cần khả năng vận chuyển và lưu trữ một lượng lớn hydro lỏng.
“Liệu chúng ta có áp dụng một số kiến thức đã học được khi làm việc cho NASA không? Chắc chắn rồi”, Butts nói.
