Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Florida A&M University-Florida State University desenvolveram um sistema criogênico de armazenamento e distribuição de hidrogênio para aeronaves de última geração, fornecendo um forte suporte para o alcance das metas de emissão zero na aviação. Esta pesquisa demonstra um sistema integrado e escalável que resolve diversos desafios de engenharia, permitindo que o hidrogênio funcione tanto como um combustível limpo quanto como um meio de resfriamento interno para sistemas de energia críticos em aeronaves elétricas.
O artigo da equipe de pesquisa, publicado na revista *Applied Energy*, detalha um projeto especificamente adaptado para uma aeronave híbrida-elétrica de 100 lugares. Esta aeronave gera eletricidade usando células de combustível de hidrogênio e um gerador supercondutor acionado por turbina de hidrogênio. A pesquisa concentra-se em como armazenar e distribuir hidrogênio líquido de forma eficiente e segura, e como utilizá-lo para resfriar sistemas críticos de bordo para atender às demandas de energia de decolagem, cruzeiro e pouso.
"Nosso objetivo era criar um sistema único capaz de lidar com múltiplas tarefas críticas: armazenamento de combustível, resfriamento e controle de distribuição", disse Guo Wei, professor de engenharia mecânica e autor correspondente do estudo. "Este projeto estabelece as bases para sistemas de aviação movidos a hidrogênio no mundo real."
O hidrogênio, como combustível limpo para aviação, possui alta densidade energética e não emite dióxido de carbono, mas precisa ser armazenado em estado líquido criogênico ultrabaixo a -253 °C. A equipe de pesquisa projetou um tanque de armazenamento criogênico e seus subsistemas relacionados por meio de otimização em nível de sistema, definindo uma nova métrica: a proporção entre a massa de combustível e a massa total do sistema de combustível. Ajustando parâmetros-chave, como a pressão de exaustão e o tamanho do trocador de calor, eles determinaram uma configuração com a maior proporção de massa de combustível, atingindo 0,62 e melhorando significativamente a eficiência do combustível.
Outro destaque do sistema é sua função de gerenciamento térmico. Ele utiliza hidrogênio criogênico como meio de resfriamento, removendo o calor residual gerado pelos componentes de bordo por meio de uma série de trocadores de calor. O hidrogênio aumenta gradualmente de temperatura após absorver calor, pré-aquecendo-se antes de entrar na célula de combustível e na turbina. Para evitar o aumento de peso e complexidade associado às bombas mecânicas, a equipe de pesquisa desenvolveu um sistema sem bomba que controla o fluxo de hidrogênio utilizando a pressão do tanque. Ao injetar hidrogênio em um cilindro de alta pressão para aumentar a pressão e liberar vapor de hidrogênio para diminuí-la, em conjunto com um sensor de pressão e um circuito fechado de feedback da demanda de energia, é possível obter a regulação em tempo real do fluxo de hidrogênio. Os resultados da simulação mostram que o sistema pode fornecer hidrogênio a uma taxa de 0,25 kg/s, atendendo à demanda de energia de 16,2 MW durante a decolagem ou uma arremetida de emergência.
Os trocadores de calor empregam um arranjo em estágios, no qual o hidrogênio flui pelo sistema resfriando sequencialmente os componentes criogênicos, absorvendo o calor dos componentes de alta temperatura e pré-aquecendo-os antes de chegar à célula de combustível. Essa tecnologia de integração térmica em estágios melhora a eficiência do sistema e reduz a complexidade do hardware. O professor Guo destacou: "Demonstramos a viabilidade de transportar hidrogênio líquido em aeronaves de forma eficaz e utilizá-lo para resfriar componentes do sistema de energia, e esse projeto requer otimização em nível de sistema."
A equipe de pesquisa planeja construir um protótipo do sistema e testá-lo no Centro de Sistemas de Energia Avançados da Universidade Estadual da Flórida. Este projeto faz parte do Programa Integrado de Aeronáutica com Zero Emissões da NASA e conta com o apoio da agência.
