眼見(jiàn)為實(shí)：華盛頓州立大學(xué)實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)液態(tài)氫沸騰可視化

科學(xué)家們首次能夠親眼觀察到極低溫液態(tài)氫在管道內(nèi)迅速沸騰并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的全過(guò)程，而他們所看到的景象令人為之震撼。

華盛頓州立大學(xué)（WSU） 的研究人員開(kāi)發(fā)了這一可視化工具。液態(tài)氫在管道中呈現(xiàn)出珠狀、霧狀并閃爍的形態(tài)，其表現(xiàn)方式此前完全未被預(yù)料到。但這一突破并非只是令人驚奇，它是WSU與航空巨頭 空客（Airbus）合作、加速氫燃料商用飛機(jī)研發(fā)的重要一步。相關(guān)研究由WSU的能源研究氫物性實(shí)驗(yàn)室（Hydrogen Properties for Energy Research，簡(jiǎn)稱HYPER實(shí)驗(yàn)室）完成，該實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)大學(xué)中唯一的低溫氫研究中心。

近日到訪WSU普爾曼校區(qū)和三城校區(qū)實(shí)驗(yàn)室的空客熱流體整體氫系統(tǒng)負(fù)責(zé)人Thierry Sibilli表示：“作為人類，我們?cè)谟H眼看到事物時(shí)才能最好地理解它們。這是世界上唯一一個(gè)能夠做到這一點(diǎn)的地方——不是兩三個(gè)地方之一，而是唯一的地方——這正是我們與華盛頓州立大學(xué)合作的原因。”

HYPER實(shí)驗(yàn)室在氫可視化方面的突破，是其與空客近四年合作關(guān)系中的最新成果。盡管此前已經(jīng)有人對(duì)儲(chǔ)罐中的液態(tài)氫進(jìn)行過(guò)可視化，但液態(tài)氫在管道中沸騰的過(guò)程此前從未被直接觀察到。

WSU與空客美洲公司簽署了“總體框架協(xié)議”，允許空客在協(xié)議范圍內(nèi)針對(duì)具體研究主題資助專項(xiàng)科研項(xiàng)目。

這一合作促成了多個(gè)研究項(xiàng)目和學(xué)術(shù)期刊論文。作為其脫碳路線圖的一部分，空客正推進(jìn)氫動(dòng)力飛機(jī)計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一架完全電動(dòng)、燃料電池驅(qū)動(dòng)的氫動(dòng)力飛機(jī)，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)氫相變物理機(jī)制的深入理解。

HYPER實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人、機(jī)械與材料工程教授Jacob Leachman表示：“空客是第一家正視低溫液態(tài)氫挑戰(zhàn)，而不是被嚇退并選擇放棄的航空公司。這是我在WSU任教期間經(jīng)歷過(guò)的最好的產(chǎn)業(yè)合作。他們非常懂得如何與學(xué)生合作，與這個(gè)全球團(tuán)隊(duì)共事的經(jīng)歷非常棒。”

熱流體整體氫系統(tǒng)負(fù)責(zé)人Sibilli指出：“實(shí)現(xiàn)氫燃料商用航空仍面臨諸多障礙；即便飛機(jī)成功研發(fā)，其大規(guī)模應(yīng)用仍需要從機(jī)場(chǎng)到燃料儲(chǔ)存與運(yùn)輸在內(nèi)的完整基礎(chǔ)設(shè)施體系。但氣候變化的緊迫性以及減少碳排放的需求，使得這一努力勢(shì)在必行。當(dāng)有人說(shuō)氫動(dòng)力飛機(jī)不可行時(shí)，他們是錯(cuò)的。這不僅是可行的，而且是不可避免的。”

其中一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是飛機(jī)上的燃料管理。氫必須以液態(tài)形式儲(chǔ)存，然后在使用前轉(zhuǎn)化為氣態(tài)以供燃料電池使用。能夠精確理解和測(cè)量氫在管道中處于兩種形態(tài)時(shí)的相變過(guò)程及其行為特性，是使飛機(jī)燃料系統(tǒng)具備可行性的關(guān)鍵。

然而，僅憑肉眼觀察低溫液態(tài)氫無(wú)法獲得準(zhǔn)確信息——其溫度極低，任何可見(jiàn)光都會(huì)改變其溫度，而氫氣本身又是不可見(jiàn)的。因此，Leachman、Konstantin Matveev教授及HYPER實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，利用真空腔體和激光來(lái)展示氫在相變過(guò)程中的行為，并測(cè)量溫度、流速和壓降等參數(shù)。

該可視化流動(dòng)單元被安裝在一個(gè)可套設(shè)于液態(tài)氫管道外的真空腔體中，腔體內(nèi)配備多種傳感器，并向管道發(fā)射連續(xù)固態(tài)激光，通過(guò)一個(gè)小型觀察窗即可看到可視化圖像。

Leachman表示：“要保持可視化腔體的密封性，防止宇宙中最小的分子泄漏并破壞真空——這是此前幾乎沒(méi)有人在連續(xù)流體管道系統(tǒng)中公開(kāi)分享過(guò)的關(guān)鍵技術(shù)。這正是我們能夠?yàn)橛脩籼峁┧钄?shù)據(jù)、并讓他們有信心判斷這些管道中熱傳遞行為的基礎(chǔ)。”

Leachman和Matveev指出，與空客合作的一個(gè)重要意義在于為WSU學(xué)生提供機(jī)會(huì)。研究生和本科生可以參與空客資助的科研項(xiàng)目，獲得在空客及其他行業(yè)公司的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，并最終進(jìn)入該領(lǐng)域就業(yè)。

此次訪問(wèn)中，常駐德國(guó)的Sibilli還與另外兩位空客同事同行：一位是常駐阿拉巴馬州的空客美洲公司高校合作研發(fā)與技術(shù)高級(jí)經(jīng)理Aaron Rubel，另一位是常駐印度的系統(tǒng)工程師Surya Suryaprakash Thiagarajan。

除HYPER實(shí)驗(yàn)室外，他們還參觀了材料與過(guò)程創(chuàng)新計(jì)算智能實(shí)驗(yàn)室、多尺度機(jī)械與材料實(shí)驗(yàn)室，會(huì)見(jiàn)了WSU科研辦公室人員，參觀了WSU三城校區(qū)的生物產(chǎn)品、科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，并體驗(yàn)了當(dāng)?shù)氐淖匀慌c文化景觀。

Sibilli表示：“我迫不及待想再次回來(lái)。”

（素材來(lái)自：華盛頓州立大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）