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十年前，美國宇航局最后一艘航天飛機的著陸標志著歷史上最成功的太空計劃結(jié)束。這是一個獨特的飛船，航天飛機像火箭一樣發(fā)射，像滑翔機一樣降落在地球上，將宇航員運送到太空并返回，這個過程持續(xù)了30年。
世界上第一艘可重復使用的航天器由四部分組成——航天飛機本身，也稱為軌道飛行器，加上一對固體火箭助推器和一個外部燃料箱。也許最容易識別的是外部燃料箱，這種熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機起飛時占據(jù)了大多數(shù)圖像中的主導地位。它超過15層樓高，是航天飛機整體結(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志性的橙色。它可以防止超冷推進劑蒸發(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的三個主發(fā)動機輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是最強大的推進劑組合之一，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。半人馬完成了多項關(guān)鍵任務，為阿波羅計劃中使用的土星 5 號火箭鋪平了道路，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志性的橙色
“液態(tài)氫在20世紀50年代真正得到大規(guī)模的使用，主要是受到國防相關(guān)活動的推動。當NASA在20世紀60年代早期開始使用它的時候，對氫的需求與性能有關(guān)。”NASA肯尼迪航天中心低溫測試實驗室首席研究員亞當·斯萬格向我們解釋。
“對于火箭推進劑，你總是使用液氧，然后你真的只有三種燃料可供選擇——氫氣、甲烷天然氣和RP1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?！?/span>
“這就是為什么土星5號的第二和第三級使用這種組合的原因。第一級——每個人都會想到土星五號——有五個使用液氧和RP1的發(fā)動機。但第二和第三級是液氫和液氧，因為我們一旦進入太空就需要這種性能，這就需要我們在發(fā)射臺上建造這些大型、復雜的低溫存儲和傳輸系統(tǒng)。我們在肯尼迪航天中心為阿波羅建造的發(fā)射臺 A 和 B。它們的布局基本相同，而且它們都需要相當大的液氫和液氧系統(tǒng)來為火箭提供燃料?！?/span>
液態(tài)氫仍然是美國太空探索的標志性燃料，世界上的一個熱門話題是它可以用來為未來的零排放商用飛機提供燃料。那么，今天 NASA 是如何獲得氫氣的呢？未來的氫會是綠色的嗎？
“這是一個非常好的問題，也是一個非常受歡迎的話題，”斯萬格回答道。
“佛羅里達州沒有任何大型氫氣液化設備，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)用卡車運送了數(shù)百英里才能到達目的地。他們一波一波地來，一次大約有五個罐車左右。
“早期他們其實有專門的液氫軌道車，所以他們把液氫罐裝在這些車上，用火車運輸液體。但由于某種原因，這種方法很快就過時了，從那時起，公路罐車就成了首選方法?！?/span>
“回到綠色氫的問題，到目前為止，我不認為我們購買的許多液體是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個巨大話題。每個國家向氫能過渡的驅(qū)動力工業(yè)實際上是由那里存在的潛在未來推動的，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?！?/span>
“而且我一直認為，從信息傳遞的角度，我覺得我們作為氫的技術(shù)推動者，在向我們傳遞宇宙的特殊禮物——氫方面做得還不夠好！”
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，該過程會產(chǎn)生大量二氧化碳。
“全球目標是從SMR過渡到電解槽。從經(jīng)濟上來說，完全過渡需要一段時間，因為SMR是一個比較完整的過程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用SMR和捕獲CO2。會得到藍色氫。會有一些橋梁讓我們走向綠色。我認為它會很快完成過渡，因為有這樣的動力讓我們走向綠色，”斯萬格說。
“回顧航天飛機計劃和之前的幾年，液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，因為它無關(guān)緊要，現(xiàn)在完全不一樣了。”
“除了被用作火箭推進劑，NASA 還通過燃料電池獲得了更多的氫經(jīng)驗，燃料電池被用于阿波羅和航天飛機，作為太空中電力和水的主要來源?！?/span>
“燃料電池是推動整個氫能源企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 NASA 從事燃料電池業(yè)務已經(jīng)有一段時間了，”斯萬格熱情地說。
“與當前版本相比，阿波羅和航天飛機中使用的燃料電池非常龐大且效率低下?，F(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?！?/span>
工人們正在從航天飛機上取下燃料電池
“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，從個人車輛到火箭。”
“而且燃料電池確實是主要的驅(qū)動力，因為如果你制造出這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?！?/span>
“燃料電池不需要液體，它們只需要氣體。從液體用途來看，液氫本身的最終用途并不多。火箭發(fā)動機恰好是當時實際消耗液氫的少數(shù)發(fā)動機之一最終用途。”
“基礎設施現(xiàn)在是一個挑戰(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，這確實促進了該領域的加速發(fā)展。并大規(guī)模采用?！?/span>
美國宇航局的液氫儲罐
談到與當今廣泛使用的液化天然氣 (LNG) 相比，氫氣面臨的進一步挑戰(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，這是很多科研團隊正在做的事情。 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 存儲應用到大型液氫罐上，以及我們需要解決哪些差距。 有挑戰(zhàn)，但在我看來，這些都是可以實現(xiàn)的。”
隨著美國宇航局展望即將到來的阿爾忒彌斯任務，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罐的完工工作，該儲罐將為太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭提供燃料。
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