Использование реактивного потока для устойчивой транспортировки грузов и водорода на дирижаблях и воздушных шарах.
Сектор морского судоходства является основным источником выбросов CO2, и ожидается, что в ближайшие десятилетия эта цифра будет расти. С целью сокращения выбросов в этом секторе это исследование предлагает использование реактивного потока для транспортировки комбинации груза и водорода с использованием дирижаблей или воздушных шаров на высоте 10–20 км. Реактивные течения текут в средних широтах преимущественно в направлении запад-восток, достигая средней скорости ветра 165 км / ч. Используя эту комбинацию высокой скорости ветра и надежного направления, наполненные водородом дирижабли или воздушные шары могут нести водород с меньшими потребностями в топливе и более коротким временем полета по сравнению с обычным судоходством. Реактивные потоки на разных высотах в атмосфере использовались для определения наиболее подходящих круговых маршрутов для глобальных путешествий на дирижаблях. Кругосветное путешествие займет 16 дней в Северном полушарии и 14 дней в Южном полушарии. Транспортировка водорода реактивным потоком из-за более низкого энергопотребления и более короткого времени доставки груза, а также доступа к городам, расположенным далеко от побережья, могла бы стать конкурентоспособной альтернативой морским перевозкам и танкерам для перевозки сжиженного водорода в развитии устойчивой водородной экономики будущего.
На транспортный сектор приходилось 23% общих антропогенных выбросов CO2 в 2013 г. Из них 3% выбросов пришлись на обычные суда в 2012 году, и ожидается, что выбросы CO2 увеличатся на 50–250% с 2012 по 2050 год. Существует несколько альтернатив для сокращения выбросов от судоходства, таких как снижение скорости судов, использование энергии ветра, улучшение общей логистики и переход на водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии. В последние годы требование снизить потребление энергии и выбросы CO2 увеличило внимание исследователей и инвесторов к дирижаблям как альтернативе морскому транспорту. Дирижабли появились в первой половине 20-го века до того, как обычные самолеты стали использоваться для перевозки грузов и пассажиров на большие расстояния. Однако их использование в грузовом и пассажирском транспорте было прекращено по нескольким причинам, например, из-за опасности взрыва водорода, из-за их более низкой скорости по сравнению с самолетами, отсутствия прогнозов погоды во время взлета и посадки, а также повышение доступности дешевого нефтяного топлива, что снизило стоимость обычного воздушного транспорта и предложило удобную, более быструю и безопасную альтернативу для перевозок на большие расстояния.
Учитывая необходимость достижения целевого показателя потепления на 1,5 ° C, установленного в Парижском соглашении, и ожидаемого роста морских перевозок, дирижабль привлекает все большее внимание по мере появления новых материалов и значительных улучшений в прогнозировании погоды. Дирижабли использовались или предлагались для использования в военных целях, в качестве высотных платформ для исследования других планетных тел, для наблюдения и фотографирования, для стратосферного туризма, соревновательные гонок, рекламы, а также выброса частиц в стратосферу для уменьшения приходящей солнечной радиации. Еще одна важная область исследований и инвестиций - использование дирижаблей для перевозки грузов, таких как доставка еды и гуманитарной помощи. В настоящее время ведется несколько исследований дирижаблей. Например, разработка новых конструкций, анализ динамики работы дирижаблей, взлета в стратосферу с использованием энергии крыла, влияние тепловых изменений траекторий подъема и спуска, анализ новых материалов для строительства дирижаблей, таких как аэрогель, который недавно был опубликован в качестве предложения для альтернативных силовых установках, снижении лобового сопротивления с оптимизацией формы, и экспериментальных исследованиях, создании наддува на высотных дирижаблях и кондиционировании воздуха. Кроме того, считалось, что дирижабли должны быть беспилотными, чтобы снизить риск несчастных случаев со смертельным исходом, особенно если дирижабль использует водород для плавучести.
Исследования, связанные с энергетикой, также были разработаны с акцентом на дирижаблях на солнечных батареях, возобновляемых источниках энергии. дирижабли с приводом от двигателя работающего на водороде, высотное производство энергии ветра с помощью дирижаблей, солнечные турбинные электростанции с плавающими солнечными дымоходами, альтернативы накопления энергии для дирижаблей с регенеративными топливными элементами (RFC) и влияние высоты на производительность энергетической системы. В других исследованиях также рассматривался выбор лучших маршрутов дирижаблей с целью снижения расхода топлива с учетом ранее выбранных пунктов назначения. Дирижабли, летящие в реактивном потоке, могут снизить выбросы CO2 и потребление топлива для перевозки водорода и грузов, поскольку реактивный поток сам будет вносить вклад в большую часть энергии, необходимой для перемещения дирижабля между пунктами назначения. Одним из примеров использования реактивного течения для высокоскоростной транспортировки являются гонки на воздушном шаре. В последнем кругосветном рекорде на воздушном шаре был использован воздушный шар Розьера, который построен по схеме комбинированной плавучести где взлет зависит как от газообразного гелия, так и от повышения температуры за счет сжигания пропана. Пропан используется для изменения высоты воздушного шара для достижения соответствующей скорости и направления ветра, чтобы достичь конечного пункта назначения в кратчайшие сроки. Мировой рекорд кругосветного плавания на воздушном шаре в течение 11 дней был установлен в 2016 году россиянином Федором Конюховым в Южном полушарии. Широта аэростата менялась от −27 до −60 °.
В этой статье оцениваются лучшие маршруты использования реактивного потока для продвижения дирижаблей для создания будущего, экологически чистого и устойчивого сектора грузовых и водородных перевозок на большие расстояния. Статья состоит из пяти разделов. В разделе 2 представлены проблемы и преимущества использования водорода в дирижаблях. Раздел 3 представляет методологию, принятую для поиска оптимальных маршрутов для дирижаблей, толкаемых реактивным потоком. В разделе 4 представлены результаты этой статьи, которые включают время в пути из одного города в другой с дирижаблями в северном и южном полушариях. В разделе 5 обсуждаются важные вопросы, связанные с дирижаблями и реактивными течениями. Раздел 6 завершает статью.
Раздел№2
Транспортировка водорода на дирижабле. Дирижабли можно наполнить гелием, чтобы создать достаточную плавучесть для стабилизации дирижабля на высоте 10–20 км (тем самым избегая траектории полета самолета на протяжении большей части полета). Хотя спрос на дирижабль может быть большим, высокая стоимость гелия снизила бы коммерческую жизнеспособность, особенно по сравнению с водородом, который дешев и широко распространен, однако использование водорода создает большие проблемы и риски, поскольку он легковоспламеняющийся и взрывоопасный, как видно из катастрофы дирижабля «Гинденбург» 1937 года, которая является основной причиной прекращения использования дирижаблей. Около 90% зарегистрированных аварий, связанных с водородными дирижаблями, были связаны с пожарами, и в большинстве случаев со смертельным исходом. Риск гибели людей с водородными дирижаблями, однако, значительно снизился бы, если бы транспортировка, погрузка и разгрузка дирижаблей выполнялись автономно, а порты дирижаблей были расположены в изолированных районах и дирижабли не допускались к проходу над крупными городами на малых высотах. Водород является хорошим энергоносителем и ценным альтернативным хранилищем энергии, имеющий гравиметрическую плотность энергии (120 МДж / кг) в три раза выше, чем у бензина. Учитывая, что возобновляемая электроэнергия, например, избыточная энергия ветра, может быть преобразована в водород посредством электролиза воды, есть оптимизм в отношении того, что водородная экономика станет фундаментальной частью чистого и устойчивого будущего. На сегодняшний день наиболее многообещающий прогресс достигнут в транспортном секторе Японии, где по состоянию на 2018 г. существовало более 100 водородных заправочных станций. Проблемы внедрения водородной экономики включают необходимость охлаждения до температуры ниже -253 ° C в чтобы сжижать водород, процесс, который потребляет примерно 30% энергии, с дополнительной энергией около 3%, необходимой для транспортировки сжиженного водорода. Потребляемая энергия и затраты, связанные с сжижением водорода, значительно снижают жизнеспособность экономики, основанной на водороде.
Однако водород можно было транспортировать в больших дирижаблях или воздушных шарах, наполненных водородом. Вместо использования энергии при сжижении, водород в газообразной форме можно было бы переносить внутри дирижабля или воздушного шара и транспортировать реактивным потоком с меньшими потребностями в топливе. Когда дирижабль или воздушный шар достигают места назначения, груз разгружается, и около 60% или 80% водорода, используемого для подъема, удаляется, в результате чего остается 40% или 20% водорода, соответственно, внутри дирижабля или воздушного шара для обеспечения достаточной плавучести. на обратный путь без груза. Это предполагает, что вес дирижабля без груза и водорода составляет около 40% или 20% от веса дирижабля или воздушного шара с грузом и без водорода. В «Гинденбурге» около 30% веса приходилось на груз, а 70% - на сам дирижабль. Это снижение веса дирижабля и воздушного шара связано с достижениями в области материаловедения и увеличением масштаба, особенно с уменьшением требований к оболочке (площади поверхности). Энергозатраты на транспортировку водорода с помощью дирижаблей или воздушных шаров в основном связаны с энергией, необходимой для создания давления водорода, чтобы уменьшить высоту транспортного средства или вернуться на землю. Это составляет около 12% энергии, переносимой водородом. Если предположить, что водород хранится в резервуарах с общим давлением 25 бар, средняя энергия сжатия составляет 1,7 кВтч / кг H2, энергия, используемая для повышения давления водорода, поступает из топливных элементов, эффективность которых составляет 70%, 30%. энергии от декомпрессии сохраняется и используется повторно. Девяносто процентов водорода в дирижабле или воздушном шаре должны находиться под давлением дважды (один раз полный во время доставки и один раз пустой во время обратного полета), чтобы достичь земли, и такое же количество энергии требуется для набора или снижения высоты до уровня с наиболее подходящей скоростью ветра. Обратите внимание, что часть этой потребности в энергии может быть произведена с помощью солнечных батарей наверху дирижабля или воздушного шара. Энергопотребление примерно в три раза ниже, чем у танкеров для перевозки сжиженного водорода. Еще одно преимущество дирижаблей перед танкерами со сжиженным водородом состоит в том, что они также перевозят грузы и имеют более короткие сроки доставки.
На сегодняшний день самыми большими дирижаблями, когда-либо построенными, были дирижабли класса Гинденбург, разработанные в 1930-х годах, которые позволяли размещать экипаж из 40 человек, 72 пассажира, имели длину 245 м, диаметр 41 м и объем. 200000 м3, полезный подъем 10 тонн. Площадь оболочки и объемное соотношение газообразного водорода или гелия значительно уменьшаются с увеличением размеров дирижабля. Например, в то время как десятикратное увеличение диаметра и длины дирижабля увеличит запас водорода и его полезную подъемную силу в тысячу раз, это приведет к увеличению материала оболочки только в 100 раз. Это означает, что стоимость оболочки дирижабля уменьшается в десять раз.
В таблице 1 показаны изменения размеров, объема, площади оболочки и полезной подъемной силы дирижаблей и воздушных шаров. Дирижабль в 10 раз длиннее дирижабля класса Гинденбург или воздушный шар на земле, который на 60% длиннее дирижабля класса Гинденбург, сможет транспортировать 0,2 км3 водорода, что эквивалентно 3280 тоннам водорода, при минимальном давлении в атмосфере. дирижабль или воздушный шар мощностью 150 гПа, на высоте 15 км, с температурой -50 ° C (средняя температура в стратосфере) и плотностью 0,0164 кг / м3. Самый большой танкер СПГ (Mozah) имеет грузоподъемность 128 900 тонн. Предполагая, что 25 поставок по всему миру в год, 1125 из этих дирижаблей смогут транспортировать энергию, эквивалентную 10% текущего мирового потребления электроэнергии.
На рис. 2 представлено сравнение размеров крупнейшей солнечной электростанции, дирижабля класса «Гинденбург», дирижабля-носителя водорода и аэростата-носителя водорода. Один дирижабль или воздушный шар-носитель водорода с энергоаккумулятором 0,1 ТВтч может доставлять всю энергию, производимую солнечным парком (солнечная электростанция) в пустыне Тенгер в Китае, который имеет мощность производства электроэнергии 1547 МВт, при условии 25 поставок дирижаблей в год и доставлять 80% водорода.
Стыковка дирижаблей является сложной задачей из-за их большого размера, ограниченных механизмов управления и сильного сопротивления ветру. Еще одна особая проблема - удерживать дирижабль прикрепленным к земле во время сильных ветров. Диаметр дирижабля-носителя водорода (рис. 2) аналогичен высоте Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке. Было бы очень сложно удержать такой большой дирижабль от крушения при сильном поверхностном ветре. С другой стороны, баллонные носители водорода не жесткие и различаются по размеру. Их объем на земле примерно в семь раз меньше, чем в стратосфере (при максимальной рабочей высоте 15 км). Это удобно, потому что размер баллона-носителя водорода на земле всего на 58% больше, чем у дирижабля класса Гинденбург, и воздушный шар может сдуваться в случае сильного ветра; Таким образом, воздушные шары должны быть наиболее жизнеспособным и практичным решением для транспортировки большого количества водорода. Еще одним преимуществом не жесткости шара является то, что он легче, что позволяет ему доставлять больше водорода за рейс.
3. Методология
Струйное течение вызвано разницей в температуре между полюсами и средними широтами, в результате чего более теплый воздух поступает к полюсам на больших высотах. Это происходит из-за полярного цикла атмосферной циркуляции, когда воздух опускается на полюсах (потому что он холоднее) и поднимается вверх в средних широтах (потому что он теплее). Это сочетается с вращением Земли, то есть эффектом Кориолиса, который отклоняет ветер влево в северном полушарии и вправо в южном полушарии (т. Е. В направлении с запада на восток). Хороший подход к анализу поведения струи при различных уровнях давления - использовать веб-сайт Windy, выбрать скорость ветра, уровень давления 150 гПа, а затем уменьшить масштаб, чтобы увидеть весь мир. Данные Windy взяты из ECMWF или Глобальной системы прогнозов (GFS).
Основными параметрами, анализируемыми в этой статье, являются скорости ветра на высоте реактивного течения и то, как их можно использовать для транспортировки водорода и грузов из одного места в другое. Анализируемые данные о скорости ветра представляют собой данные повторного анализа уровней давления ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). Скорость ветра делится на две составляющие: скорость ветра с запада на восток (W – E) и скорость ветра с севера на юг (N – S). Скорости ветра W – E представлены положительным значением, например, от Буэнос-Айреса до Кейптауна. Скорость ветра с востока на запад обозначается знаком минус, например, от Лондона до Нью-Йорка. Скорости с юга на север с севера на юг представлены положительным знаком, например, из Гонконга в Шанхай, а скорости с севера на юг с севера на юг представлены отрицательным знаком, например, из Германии в Италию. На рис. 3 представлена структура потенциальной модели мира Jet Stream. Он разделен на три этапа. Шаг 1 состоит из вводимых почасовых данных о скорости ветра с запада на восток при уровнях давления 50–300 гПа (или высоте над землей) с разрешением 0,5 °. Затем наносятся средние скорости ветра для всех различных уровней давления. Учитывая, что дирижабль может изменять высоту и уровни давления, чтобы двигаться при более высоких скоростях ветра, выбираются уровни давления с самыми высокими скоростями ветра. Это дает самую высокую карту средней скорости ветра с запада на восток. Шаг 2 состоит из ввода почасовых данных о скорости ветра с севера на юг при уровнях давления 50–300 гПа с разрешением 0,5 °. Затем наносятся средние скорости ветра с севера на юг для всех уровней давления. Подобно шагу 1, дирижабль может перейти на уровень давления с самой низкой скоростью ветра с севера на юг, чтобы сохранить свой маршрут. Комбинируя среднюю скорость ветра с севера на юг с минимальной скоростью ветра с севера на юг, создается карта самой низкой средней положительной или отрицательной скорости ветра. Шаг 3 состоит в нахождении идеальной широты для дирижабля в северном и южном полушариях с помощью формул. Затем выбираются самые большие города, близкие к этим идеальным широтам, для которых может быть полезен маршрут дирижабля. После этого карта максимальной средней скорости ветра с запада на восток используется для оценки времени в пути из одного города в другой с использованием только струйного течения и в предположении, что ветры с севера на юг не повлияют на маршрут дирижабля.
Чтобы оценить время, в течение которого дирижабль перемещается между разными городами, мы предполагаем, что скорость дирижабля составляет 90% от скорости реактивного потока, и что средние скорости ветра реактивного потока постоянны. Важно отметить, что расстояние, пройденное дирижаблем, не является кратчайшим расстоянием от одного города до другого, которое предполагает одинаковую широту на всем протяжении маршрута. Это связано с тем, что преобладающая картина ветра - W – E, и если дирижабль опустится слишком далеко, W – E уменьшится, и дирижабль не сможет вернуться к идеальной широте скорости. Уравнение (1) использовалось для определения потенциала широты реактивного потока дирижабля, который показывает, насколько широта подходит для транспортировки реактивного потока дирижабля. Чем выше средняя скорость W – E и ниже скорость N – S, тем выше широтный потенциал реактивного течения дирижабля.
LP - широтный потенциал реактивного течения дирижабля на широте широты. lat - анализируемая широта. lon - анализируемая долгота. HVlat, lon - средняя, W – E, скорость ветра на уровне давления с максимальной скоростью на широте, широте и долготе. VVlat, lon - положительная, средняя, W – E, скорости ветра на уровне давления с наименьшей скоростью, на широте широте и долготе log. Затем уравнения (2), (3) используются для нахождения оптимальной широты для маршрутов дирижаблей в северном и южном полушарии соответственно. Максимальная потенциальная широта реактивного течения дирижабля в северном и южном полушариях составила 36,5 и -30,5 ° соответственно (2). (3) где SLN - максимальная потенциальная широта реактивного течения дирижабля в Северном полушарии. SLN - максимальная потенциальная широта реактивного течения дирижабля в Южном полушарии.
4. Результаты
В этом разделе представлены результаты, полученные в рамках модели мирового потенциала дирижабля с реактивной струей.
4.1. Обработка данных о ветре
Первичные данные этого исследования - это среднечасовая скорость ветра при различных уровнях давления, взятая из данных повторного анализа уровней давления ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). Они делятся на две составляющие: скорость ветра с запада на восток (W – E) (рис. 4 (a)) и скорость ветра с севера на юг (N – S) (рис. 4 (a)).
Чтобы найти среднюю скорость ветра и среднее время в пути из одного места в другое, были рассмотрены средние скорости ветра с 2016 по 2017 год при уровнях давления 50, 70, 100, 150, 175, 200, 225, 250, 300 гПа. Включение нескольких уровней давления в анализ позволяет оператору дирижабля набирать или терять высоту, чтобы найти уровень давления с наиболее подходящей скоростью ветра для достижения конечного пункта назначения с наименьшим потреблением энергии и кратчайшим временем (рис. 5). Скорость ветра с запада на восток на широтах между тропиками и полярными кругами сильная и преимущественно положительная, а именно с запада на восток. Ветер на экваторе и в пределах полярных кругов слабый и преимущественно отрицательный, а именно с востока на запад. Эта картина сохраняется в течение большей части года. Однако следует отметить на рис. 5 (b), что минимальные скорости в южном полушарии значительно выше, чем в северном полушарии. Это выгодно для использования дирижаблей в Южном полушарии, поскольку снижает вероятность того, что дирижабль застрянет в определенном месте из-за низкой скорости ветра.
В таблице 2 представлены некоторые характеристики струйного течения при различных уровнях давления. Уровни давления с самой высокой средней скоростью ветра с запада на восток (165 м / с) составляют 200 гПа, что эквивалентно высоте 12 км. Это также высота с самой низкой средней скоростью ветра с севера на юг (22,09 м / с), что удобно, так как уменьшит вероятность того, что дирижабль унесет с его первоначального широтного маршрута.
На рис. 6 представлены минимальные средние широтные скорости ветра с учетом всех уровней давления. Отрицательные скорости ветра (N – S) были преобразованы в положительные (S – N) с целью поиска маршрута с наименьшим нарушением широты дирижабля. Оптимизированное движение дирижабля заключается в использовании преобладающих положительных скоростей продольного ветра (W – E), избегая, насколько это возможно, широтных скоростей ветра, чтобы дирижабль не снесло с заданного маршрута. На рис. 6 показаны места, где минимальная средняя скорость ветра с севера на юг равна нулю (синие линии), и места с преимущественно положительной или отрицательной средней скоростью ветра (красные пятна), которых следует избегать дирижаблям. Как можно видеть, в регионах с широтой от 40 ° до -45 ° нет преобладающих северных или южных ветров, и можно было бы надлежащим образом использовать реактивный поток для кругосветных перевозок, как предлагается в этой статье.
Хотя сезонные колебания не были включены в анализ этого документа, они оказывают значительное влияние на время перевозки по сравнению со среднегодовым значением. Чтобы подчеркнуть влияние сезонных колебаний на скорость ветра с запада на восток, на рис. 7 представлены средние скорости ветра с наивысшим и самым низким скоростным давлением зимой и летом в северном полушарии. Это показывает, что скорости ветра W – E в Северном полушарии сильнее летом в Северном полушарии и что скорости ветра W – E сильнее летом в Южном полушарии. Также можно видеть, что самые низкие средние скорости ветра W – E в Южном полушарии выше, чем в Северном полушарии, особенно летом в Южном полушарии. Это снижает вероятность движения дирижабля на малых скоростях.
4.2. Поиск маршрутов с идеальной широтой
Маршруты идеальной широты в северном и южном полушарии представлены на рис. 8. Они являются результатом формул. (1) - (3). Оказалось, что идеальная широта в северном полушарии составляет 36,5 °, а в южном полушарии - -30,5 °. На графике на рис. 8 также можно увидеть, что южное полушарие имеет гораздо более широкий диапазон широт, что было бы интересно разработать маршруты дирижаблей. Однако в Южном полушарии гораздо меньше земли и городов, которые необходимо соединить, по сравнению с Северным полушарием.
4.3. Время в пути из города в город
В таблице 3 представлены расстояние и время в пути от городов, выбранных на рис. 3. Если принять идеальные широты, найденные в предыдущем разделе, маршрут туда и обратно в северном полушарии занимает 16 дней на широте 36,5 °, а в южном полушарии - 14 дней на широте -30,5 °. Этот срок доставки значительно меньше по сравнению с морским транспортом, особенно в южном полушарии. Обратите внимание, что эта оценка не учитывает время, необходимое дирижаблю, чтобы подняться в стратосферу, опуститься на землю, разгрузку и погрузку, проверку безопасности и т. Д. Она учитывает только скорости ветра в стратосфере. Таким образом, если дирижабль должен остановиться в городах, представленных в таблице 3, время в пути туда и обратно займет гораздо больше времени.
5. Обсуждение
Учитывая большое количество вопросов для обсуждения, которые требуют детализации, этот раздел разделен на подразделы, представленные ниже:
5.1. Однонаправленные маршруты с запада на восток
Использование реактивного течения для перевозки дирижаблей и воздушных шаров имеет некоторые особенности. Главное соображение заключается в том, что дирижабль должен двигаться в одном направлении, с запада на восток, вокруг света. Например, из Нью-Йорка в Лондон летел бы дирижабль; однако обратный путь будет очень трудным. Еще одно соображение заключается в том, что большая часть потребности в энергии дирижаблей и аэростатов - это подъем в стратосферу, поскольку реактивный поток толкает их к конечному пункту назначения, поэтому следует отдавать предпочтение дальним маршрутам.
5.2. Это конкуренция с обычными самолетами на дальнемагистральных рейсах
Для полетов на дальние расстояния крейсерская высота для обычных самолетов может достигать 14 км. Учитывая, что уровни давления с самой высокой средней скоростью ветра ЗВЕ (165 м / с) составляют 200 гПа, что эквивалентно высоте 12 км, дирижабли и обычные самолеты должны будут использовать один и тот же диапазон высот своих маршрутов полета, если они хотят лучше использовать струйный поток. Внедрение дирижаблей потребует новых правил для снижения риска аварий между самолетами и дирижаблями.
5.3. Сопротивление ветра
Конструкция дирижабля должна иметь переменное сопротивление, которое должно быть как можно большим. Однако сопротивление должно быть уменьшено, насколько это возможно, если реактивный поток отталкивает дирижабль от конечного пункта назначения. Сопротивление можно было бы изменять с помощью регулируемых парусов. Следует отметить, что конструкция, превышающая, скажем, 1 км, очень хрупкая. Если существует значительная разница в скорости ветра между передней и задней частью дирижабля, во время шторма он может разорваться пополам. Таким образом, он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать сдвиг, вызываемый ветрами с разных направлений. Новые технологии материалов могут гарантировать прочность и устойчивость к сильным штормам.
5.4. Энергоснабжение
Предлагаемые в этой статье дирижабли могут иметь солнечные батареи. Батареи позволят дирижаблю генерировать и накапливать энергию, когда дирижабль должен лететь в направлении, отличном от направления реактивного потока, и накопленная энергия может использоваться для работы двигателей, чтобы поддерживать дирижабль на его первоначальном маршруте. В качестве альтернативы, часть водорода, хранящегося в дирижабле, может быть использована для движения.
5.5. Потребление энергии
Несмотря на то, что реактивный поток используется для того, чтобы подтолкнуть дирижабль к конечному пункту назначения, требуется много энергии, чтобы поднять дирижабль на высоту 15 км и вернуть его на землю. В этой статье предполагается, что потребление энергии дирижаблями в четыре раза выше, чем при морских перевозках. Это предполагает, что 30% энергии, выделяемой при разгерметизации газообразного водорода во время подъема, сохраняется и используется для сжатия водорода во время спуска. Потребление энергии значительно снизится, если будет рекуперироваться больше произведенной энергии. Если предположить, что вся энергия, высвобождаемая во время подъема, повторно используется во время спуска, и реактивный поток уносит дирижабль в его окончательном направлении, потребление энергии дирижаблем будет равно нулю.
5.6. Оценка затрат
В этой статье предлагается, чтобы дирижабли и воздушные шары несли груз, либо водород, либо и то, и другое. Такая гибкость рынка повысит жизнеспособность технологии. Например, если дирижабль приземляется с грузом, нет груза для обратного путешествия, а стоимость энергии в пункте назначения высока, водород с дирижабля может быть продан на энергетический рынок, и дирижабль может вернуться с меньшим количеством водорода и без груза. Сравните, например, стоимость перевозки 21000 тонн груза из Денвера (США) в Исламабад (Пакистан) (10 500 000 долларов США при стоимости 500 долларов США за тонну) со стоимостью транспортировки 60 ГВт-ч водородной энергии (2 400 000 долларов США). , предполагаемая стоимость 40 долларов США / МВтч). Дирижабли и воздушные шары могли бы стать жизнеспособной альтернативой для перевозки грузов и водорода, отдавая предпочтение грузовым перевозкам между городами вдали от побережья. Грузы, которые необходимо хранить в замороженном состоянии или при низких температурах, также выигрывают, учитывая, что средняя температура стратосферы составляет - 60 ° C.
5.7. Влияние глобального потепления на дирижабли
Дальнейшая работа включает использование методологии, предложенной в этом документе, с данными из различных моделей глобального климата, чтобы рассмотреть влияние глобального потепления на этот вид транспорта в будущем документе. Воздействие глобального потепления на дирижабли может включать увеличение частоты экстремальных погодных явлений, таких как ураганы и штормы, что напрямую влияет на эффективность дирижаблей. Кроме того, повышение температуры в арктических регионах уменьшит разницу температур между Полярным кругом и средними широтами, что ослабит струйный поток в Северном полушарии.
5.8. Услуги по охлаждению
Когда дирижабль прибывает в конечный пункт назначения, водород, используемый для плавучести, будет находиться под давлением и будет иметь температуру около -60 ° C, что является средней температурой стратосферы. Мы предполагаем, что дирижабль перевозит 3280 тонн водорода, имеет удельную теплоемкость 14,4 кДж / кг.C, разницу температур 70 °, никаких потерь не происходит и тепло отбирается за один день. Водород можно использовать в качестве радиатора с охлаждающей мощностью 30 МВт (эквивалентно охлаждению большого аэропорта или курорта в тропической местности). Это может быть использовано для управления системами централизованного холодоснабжения или промышленных процессов, таких как сжижение природного газа или производство жидкого воздуха.
5.9. Сжижение водорода
В процессе опускания дирижабля на землю часть водорода в дирижабле может использоваться для сжижения водорода. Это удобно, потому что дирижабль требует меньшего объема и собственного веса дирижабля для хранения уплотненного водорода. Еще одно преимущество состоит в том, что температура стратосферы составляет всего -70 ° C, что значительно повысит эффективность сжижения водорода. Затем этот жидкий водород можно было продать или использовать для охлаждения в месте его конечного назначения.
5.10. Искусственные осадки
Для вызывания дождя также можно было использовать дирижабли или воздушные шары. Часть водорода, используемого для подъема дирижабля, может быть использована для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов, использующих кислород в стратосфере для дополнительной тяги для приведения в движение дирижабля или для сжижения водорода. Одним из побочных продуктов производства электроэнергии с использованием водорода является вода. Из одной тонны водорода получается девять тонн воды. Произведенная вода увеличивает вес дирижабля и, таким образом, снижает энергию, необходимую для сжатия водорода при его возвращении на землю. Эта вода также может быть выпущена из стратосферы на высоте, на которой вода замерзнет, прежде чем попадет в тропосферу, где она растает. Снижение температуры тропосферы приведет к увеличению ее относительной влажности до тех пор, пока она не станет насыщенной и не начнутся осадки. Начало выпадения осадков вызовет конвекционный режим дождя, в результате чего в систему будет поступать больше влаги и дождя.
5.11. Космический запуск
Дирижабли можно было использовать для доставки космических грузов в стратосферу, откуда их можно было выбросить в космос с помощью пистолета под давлением. В качестве альтернативы дирижабль в форме пончика может поддерживать космический корабль в его центре тяжести, откуда он будет запускаться в космос. Это позволило бы построить космический корабль с более высоким соотношением объема к площади за счет уменьшения потерь, вызванных трением. Эта технология может быть использована для снабжения международной космической станции или для снижения затрат на пилотируемые миссии на Марс различными космическими агентствами.
6. Заключение
В этой статье представлена инновационная альтернатива транспортировке грузов и водорода с использованием реактивного потока в качестве основного источника энергии для продвижения дирижабля или воздушного шара к конечному пункту назначения. Было обнаружено, что путешествие туда и обратно в северном полушарии на широте 36,5 ° занимает 16 дней, а в южном полушарии на широте -30,5 ° - 14 дней. Это значительно быстрее, чем альтернативные варианты морского судоходства. В этом документе указывается на несколько преимуществ и проблем при транспортировке грузов и водорода с помощью дирижаблей. Преимущество дирижаблей и воздушных шаров заключается в том, что они достигают труднодоступных мест в центре континента. Это могло бы снизить стоимость перевозки товаров, произведенных или доставленных в города, далекие от побережья. Страны, не имеющие выхода к океану, также выиграют от дирижаблей, поскольку им не придется полагаться на страны-посредники. Транспортировка водорода на дирижаблях не требует сжижения водорода, что требует больших затрат энергии. Основная проблема заключается в необходимости снижения затрат на энергию, связанную с повышением давления водорода для опускания дирижабля на землю. Эти затраты можно было бы снизить с помощью эффективной альтернативы хранению энергии, выделяющейся при подъеме дирижабля. Другой альтернативой является производство воды с водородом при выработке энергии в дирижабле, что увеличит вес дирижабля и поможет опустить его на землю. Другие проблемы связаны с риском взрыва, повреждений во время штормов и посадки дирижабля на землю во время ветреных явлений. По оценкам экспертов, 1125 дирижаблей-водородоносов смогут транспортировать энергию, эквивалентную 10% текущего мирового потребления электроэнергии. Возможность дешевой и чистой транспортировки водорода была бы удобна для реализации глобальной водородной экономики. В конечном итоге это будет способствовать широкому распространению технологий прерывистой возобновляемой энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, и будет способствовать устойчивому развитию в глобальном масштабе.
