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

華盛頓州立大學（WSU） 的研究人員開發(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研發(fā)的重要一步。相關研究由WSU的能源研究氫物性實驗室（Hydrogen Properties for Energy Research，簡稱HYPER實驗室）完成，該實驗室是美國大學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)實驗室的空客熱流體整體氫系統(tǒng)負責人Thierry Sibilli表示：“作為人類，我們在親眼看到事物時才能最好地理解它們。這是世界上唯一一個能夠做到這一點的地方——不是兩三個地方之一，而是唯一的地方——這正是我們與華盛頓州立大學合作的原因。”

HYPER實驗室在氫可視化方面的突破，是其與空客近四年合作關系中的最新成果。盡管此前已經(jīng)有人對儲罐中的液態(tài)氫進行過可視化，但液態(tài)氫在管道中沸騰的過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)針對具體研究主題資助專項科研項目。

這一合作促成了多個研究項目和學術期刊論文。作為其脫碳路線圖的一部分，空客正推進氫動力飛機計劃，目標是實現(xiàn)一架完全電動、燃料電池驅動的氫動力飛機，而這一目標的實現(xiàn)依賴于對氫相變物理機制的深入理解。

HYPER實驗室創(chuàng)始人、機械與材料工程教授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)歷過的最好的產(chǎn)業(yè)合作。他們非常懂得如何與學生合作，與這個全球團隊共事的經(jīng)歷非常棒。”

熱流體整體氫系統(tǒng)負責人Sibilli指出：“實現(xiàn)氫燃料商用航空仍面臨諸多障礙；即便飛機成功研發(fā)，其大規(guī)模應用仍需要從機場到燃料儲存與運輸在內(nèi)的完整基礎設施體系。但氣候變化的緊迫性以及減少碳排放的需求，使得這一努力勢在必行。當有人說氫動力飛機不可行時，他們是錯的。這不僅是可行的，而且是不可避免的。”

其中一項關鍵挑戰(zhàn)是飛機上的燃料管理。氫必須以液態(tài)形式儲存，然后在使用前轉化為氣態(tài)以供燃料電池使用。能夠精確理解和測量氫在管道中處于兩種形態(tài)時的相變過程及其行為特性，是使飛機燃料系統(tǒng)具備可行性的關鍵。

然而，僅憑肉眼觀察低溫液態(tài)氫無法獲得準確信息——其溫度極低，任何可見光都會改變其溫度，而氫氣本身又是不可見的。因此，Leachman、Konstantin Matveev教授及HYPER實驗室的學生們設計了一套系統(tǒng)，利用真空腔體和激光來展示氫在相變過程中的行為，并測量溫度、流速和壓降等參數(shù)。

該可視化流動單元被安裝在一個可套設于液態(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，通過一個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——這是此前幾乎沒有人在連續(xù)流體管道系統(tǒng)中公開分享過的關鍵技術。這正是我們能夠為用戶提供所需數(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。”

Leachman和Matveev指出，與空客合作的一個重要意義在于為WSU學生提供機會。研究生和本科生可以參與空客資助的科研項目，獲得在空客及其他行業(yè)公司的實習機會，并最終進入該領域就業(yè)。

此次訪問中，常駐德國的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)與技術高級經(jīng)理Aaron Rubel，另一位是常駐印度的系統(tǒng)工程師Surya Suryaprakash Thiagarajan。

除HYPER實驗室外，他們還參觀了材料與過程創(chuàng)新計算智能實驗室、多尺度機械與材料實驗室，會見了WSU科研辦公室人員，參觀了WSU三城校區(qū)的生物產(chǎn)品、科學與工程實驗室，并體驗了當?shù)氐淖匀慌c文化景觀。

Sibilli表示：“我迫不及待想再次回來。”

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