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十年前，美國宇航局最后一艘航天飛機(jī)的著陸標(biāo)志著歷史上最成功的太空計(jì)劃結(jié)束。這是一個(gè)獨(dú)特的飛船，航天飛機(jī)像火箭一樣發(fā)射，像滑翔機(jī)一樣降落在地球上，將宇航員運(yùn)送到太空并返回，這個(gè)過程持續(xù)了30年。
世界上第一艘可重復(fù)使用的航天器由四部分組成——航天飛機(jī)本身，也稱為軌道飛行器，加上一對固體火箭助推器和一個(gè)外部燃料箱。也許最容易識(shí)別的是外部燃料箱，這種熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機(jī)起飛時(shí)占據(jù)了大多數(shù)圖像中的主導(dǎo)地位。它超過15層樓高，是航天飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)中最大的部分。
噴涂在燃料罐鋁上的泡沫絕緣材料使其獲得了標(biāo)志性的橙色。它可以防止超冷推進(jìn)劑蒸發(fā)過快和外部積冰。燃料罐的主要工作是提供約 535,000 加侖（2025 立方米）的超冷液氫和向航天飛機(jī)的三個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是最強(qiáng)大的推進(jìn)劑組合之一，NASA 使用它的歷史甚至可以追溯到 60-70 年前。
1960 年代，美國宇航局的 15,000 磅（6.8 噸）兩級(jí)火箭半人馬首次成功證明了液態(tài)氫作為火箭燃料的可行性。半人馬完成了多項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，為阿波羅計(jì)劃中使用的土星 5 號(hào)火箭鋪平了道路，這直接促成了 1960 年代和 1970 年代的成功登月。
噴涂在燃料罐鋁上的泡沫絕緣材料使其獲得了標(biāo)志性的橙色
“液態(tài)氫在20世紀(jì)50年代真正得到大規(guī)模的使用，主要是受到國防相關(guān)活動(dòng)的推動(dòng)。當(dāng)NASA在20世紀(jì)60年代早期開始使用它的時(shí)候，對氫的需求與性能有關(guān)。”NASA肯尼迪航天中心低溫測試實(shí)驗(yàn)室首席研究員亞當(dāng)·斯萬格向我們解釋。
“對于火箭推進(jìn)劑，你總是使用液氧，然后你真的只有三種燃料可供選擇——?dú)錃狻⒓淄樘烊粴夂蚏P1精制煤油，在這三種組合中，液氫和液氧有最高的性能，一旦離開大氣層進(jìn)入太空，從性能的角度來看，液氧和液氫才是真正的發(fā)光燃料。”
“這就是為什么土星5號(hào)的第二和第三級(jí)使用這種組合的原因。第一級(jí)——每個(gè)人都會(huì)想到土星五號(hào)——有五個(gè)使用液氧和RP1的發(fā)動(dòng)機(jī)。但第二和第三級(jí)是液氫和液氧，因?yàn)槲覀円坏┻M(jìn)入太空就需要這種性能，這就需要我們在發(fā)射臺(tái)上建造這些大型、復(fù)雜的低溫存儲(chǔ)和傳輸系統(tǒng)。我們在肯尼迪航天中心為阿波羅建造的發(fā)射臺(tái) A 和 B。它們的布局基本相同，而且它們都需要相當(dāng)大的液氫和液氧系統(tǒng)來為火箭提供燃料。”
液態(tài)氫仍然是美國太空探索的標(biāo)志性燃料，世界上的一個(gè)熱門話題是它可以用來為未來的零排放商用飛機(jī)提供燃料。那么，今天 NASA 是如何獲得氫氣的呢？未來的氫會(huì)是綠色的嗎？
“這是一個(gè)非常好的問題，也是一個(gè)非常受歡迎的話題，”斯萬格回答道。
“佛羅里達(dá)州沒有任何大型氫氣液化設(shè)備，盡管很久以前就需要它，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。它已經(jīng)用卡車運(yùn)送了數(shù)百英里才能到達(dá)目的地。他們一波一波地來，一次大約有五個(gè)罐車左右。
“早期他們其實(shí)有專門的液氫軌道車，所以他們把液氫罐裝在這些車上，用火車運(yùn)輸液體。但由于某種原因，這種方法很快就過時(shí)了，從那時(shí)起，公路罐車就成了首選方法。”
“回到綠色氫的問題，到目前為止，我不認(rèn)為我們購買的許多液體是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個(gè)巨大話題。每個(gè)國家向氫能過渡的驅(qū)動(dòng)力工業(yè)實(shí)際上是由那里存在的潛在未來推動(dòng)的，在那里你可以制造氫氣或使用零碳排放的氫氣。它是唯一可以賦予你這種能力的燃料。”
“而且我一直認(rèn)為，從信息傳遞的角度，我覺得我們作為氫的技術(shù)推動(dòng)者，在向我們傳遞宇宙的特殊禮物——?dú)浞矫孀龅眠€不夠好！”
目前，世界上大部分液態(tài)氫是通過稱為蒸汽甲烷重整（SMR）的過程生產(chǎn)的，該過程會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。
“全球目標(biāo)是從SMR過渡到電解槽。從經(jīng)濟(jì)上來說，完全過渡需要一段時(shí)間，因?yàn)镾MR是一個(gè)比較完整的過程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用SMR和捕獲CO2。會(huì)得到藍(lán)色氫。會(huì)有一些橋梁讓我們走向綠色。我認(rèn)為它會(huì)很快完成過渡，因?yàn)橛羞@樣的動(dòng)力讓我們走向綠色，”斯萬格說。
“回顧航天飛機(jī)計(jì)劃和之前的幾年，液氫是一個(gè)非常小眾的東西。沒有多少行業(yè)使用它。它遠(yuǎn)離每個(gè)人的視線。我認(rèn)為沒有人真正關(guān)心它是如何生產(chǎn)的，因?yàn)樗鼰o關(guān)緊要，現(xiàn)在完全不一樣了。”
“除了被用作火箭推進(jìn)劑，NASA 還通過燃料電池獲得了更多的氫經(jīng)驗(yàn)，燃料電池被用于阿波羅和航天飛機(jī)，作為太空中電力和水的主要來源。”
“燃料電池是推動(dòng)整個(gè)氫能源企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 NASA 從事燃料電池業(yè)務(wù)已經(jīng)有一段時(shí)間了，”斯萬格熱情地說。
“與當(dāng)前版本相比，阿波羅和航天飛機(jī)中使用的燃料電池非常龐大且效率低下。現(xiàn)在您可以獲得真正有效的產(chǎn)品，我可以將它們放在桌面上。”
工人們正在從航天飛機(jī)上取下燃料電池
“氫之所以如此神奇，不僅在于它可以以液態(tài)的形式在世界各地輸送大量能量，即作為一種能量載體，而且它還可以延伸到微觀層面的使用，從個(gè)人車輛到火箭。”
“而且燃料電池確實(shí)是主要的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)槿绻阒圃斐鲞@些非常高效的電池系統(tǒng)，并且讓它們變得非常小且具有成本效益，那么只要你有可用的氫，你真的可以把它們變成任何東西。”
“燃料電池不需要液體，它們只需要?dú)怏w。從液體用途來看，液氫本身的最終用途并不多。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)恰好是當(dāng)時(shí)實(shí)際消耗液氫的少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)之一最終用途。”
“基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在是一個(gè)挑戰(zhàn)，我們正在努力建造它，但如果你有可用的氫，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(shí)促進(jìn)了該領(lǐng)域的加速發(fā)展。并大規(guī)模采用。”
美國宇航局的液氫儲(chǔ)罐
談到與當(dāng)今廣泛使用的液化天然氣 (LNG) 相比，氫氣面臨的進(jìn)一步挑戰(zhàn)，斯萬格繼續(xù)說道，“液態(tài)氫比 LNG 冷得多，液化和加工需要更多的能量，這是很多科研團(tuán)隊(duì)正在做的事情。 我們現(xiàn)在正在努力研究如何將我們所知道的（我們已經(jīng)做了幾十年）的 LNG 存儲(chǔ)應(yīng)用到大型液氫罐上，以及我們需要解決哪些差距。 有挑戰(zhàn)，但在我看來，這些都是可以實(shí)現(xiàn)的。”
隨著美國宇航局展望即將到來的阿爾忒彌斯任務(wù)，將美國宇航員送回月球，氫將繼續(xù)發(fā)揮其關(guān)鍵作用。 航天局剛剛完成了肯尼迪航天中心世界上最大的液氫儲(chǔ)罐的完工工作，該儲(chǔ)罐將為太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭提供燃料。
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