世界上第一個可重復(fù)使用的航天器由四個部分組成——航天飛機(jī)本身，也被稱為軌道飛行器，加上一對固體火箭助推器和一個外部燃料箱。也許最容易辨認(rèn)的是外部燃料箱，這個熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機(jī)起飛時的大多數(shù)圖像中占據(jù)主導(dǎo)地位。它超過15層樓高，是航天飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)中最大的部件。

 

噴涂在燃料罐鋁上的泡沫絕緣材料使其獲得了標(biāo)志性的橙色，它能夠防止超冷推進(jìn)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(jī)的三個主發(fā)動機(jī)輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是性能最高的推進(jìn)劑組合之一，NASA使用它的歷史甚至可以追溯到60-70年前。

 

20世紀(jì)60年代，美國國家航空航天局的1.5萬磅(6.8噸)推力的二級火箭半人馬(Centaur)首次成功地證明了液氫作為火箭燃料的可行性。半人馬完成了幾項關(guān)鍵任務(wù)，為阿波羅計劃中使用的土星5號火箭鋪平了道路，這直接推動了20世紀(jì)60年代和70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(biāo)志性的橙色

 

“液態(tài)氫在20世紀(jì)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(dāng)NASA在20世紀(jì)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(dāng)·斯萬格向我們解釋道。

 

“對于火箭推進(jìn)劑，你總是會使用液氧，然后你真的只有三種燃料可以選擇——氫、甲烷天然氣、還有我們稱為RP1的精煉煤油。在這三種組合中，液氫和液氧的性能最高。一旦你離開了大氣層進(jìn)入了太空，從性能的角度來看液氧和液氫才是在哪里真正發(fā)光的燃料。”

 

“這就是為什么土星5號的第二和第三級采用了這種組合。第一級——每個人都會聯(lián)想到土星五號——有五個使用液氧和RP1的引擎。但第二和第三級是液氫和液氧，因為一旦進(jìn)入太空我們就需要這種性能。這就需要我們在發(fā)射臺建立這些大型的，復(fù)雜的低溫儲存和傳輸系統(tǒng)。我們在肯尼迪航天中心為阿波羅建造了發(fā)射臺A和B。它們的布局基本上是相同的，它們都需要相當(dāng)大的液氫和液氧系統(tǒng)來為火箭提供燃料。”

 

液態(tài)氫仍然是美國太空探索的標(biāo)志性燃料，現(xiàn)在全世界的一個熱門話題是，它可以用來為未來的零排放商用飛機(jī)提供燃料。那么，NASA今天是如何獲得氫氣的呢？未來的氫氣會是綠色的嗎？

 

“這是一個很好的問題，也是現(xiàn)在非常流行的話題，”斯萬格回答說。

 

“佛羅里達(dá)州沒有任何大型氫氣液化設(shè)備，雖然很久以前就有需求了。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。它一直被卡車運(yùn)送到數(shù)百英里，才能到達(dá)目的地。他們一波波地涌來，一次有五個罐車左右。”

 

“在早期，他們實際上有專用的液氫軌道車，所以他們將液氫罐放在這些車子上，并通過火車運(yùn)送這些液體。但由于某種原因，這種方式很快就過時了，從那時起，公路罐車一直是首選的方法。”

 

“回到關(guān)于綠色氫的問題，到目前為止，我認(rèn)為我們購買的液體中沒有多少是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個巨大話題。推動每個行業(yè)向氫能過渡的動力實際上是由存在于那里的潛在未來推動的，在那里你既可以制造氫，也可以使用零碳排放的氫。它是唯一可以賦予你這種能力的燃料。”

 

“而且我一直認(rèn)為，從消息傳遞的角度來看，我覺得我們作為氫的技術(shù)推動者，在傳達(dá)宇宙給我們的這份特別禮物——氫的這方面，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)的過程產(chǎn)生的，該過程會產(chǎn)生大量二氧化碳。

 

“全球的目標(biāo)是從SMR過渡到電解槽。從經(jīng)濟(jì)上講，完全過渡需要一段時間，因為SMR是一個相對完善的流程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用SMR并捕獲CO2，你會得到藍(lán)色的氫氣。會有一些橋梁讓我們進(jìn)入綠色。我認(rèn)為它會相當(dāng)快地完成過渡，因為有這樣一種推動力讓我們走向綠色的一面，”斯萬格說。

 

“回顧航天飛機(jī)計劃和之前的歲月，液態(tài)氫是一個非常小眾的東西。沒有多少行業(yè)使用它，它遠(yuǎn)離每個人的視線，我認(rèn)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。”

 

“除了用作火箭推進(jìn)劑之外，NASA還通過燃料電池獲得了更多的氫經(jīng)驗，燃料電池在阿波羅和航天飛機(jī)飛行器中用作太空中電力和水的主要來源。”

 

“燃料電池是推動整個氫能企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國宇航局從事燃料電池業(yè)務(wù)已有一段時間了，”斯萬格熱情地說道。

 

“用于阿波羅和航天飛機(jī)的燃料電池與現(xiàn)在的版本相比，它們顯得非常龐大且效率低下。現(xiàn)在你可以得到真正有效的產(chǎn)品，我可以把它們放在桌子上。”

 

 

工作人員正從航天飛機(jī)上移除燃料電池

 

“使氫如此驚人的原因不僅在于它能夠以液態(tài)形式在世界各地移動大量能量，即作為能量載體，而且還能夠一直延伸到微觀使用水平，從個人車輛到火箭。”

 

“而燃料電池確實是其中的主要驅(qū)動力，因為如果你制造這些非常高效的電池系統(tǒng)，并且將它們做得非常小且具有成本效益，那么只要你有可用的氫氣，你就可以真正將它們放入任何東西中。”

 

“燃料電池不需要液體，它們只需要氣體。從液體使用的角度來看，液氫本身的最終用途并不多。火箭發(fā)動機(jī)恰好是少數(shù)在最終使用點實際消耗液氫的發(fā)動機(jī)之一。”

 

“基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在是一個挑戰(zhàn)，我們正在努力建立它，但如果你有可用的氫氣，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，這確實推動了這一領(lǐng)域的加速發(fā)展和大規(guī)模采用。”

 

 

NASA的液氫儲罐

 

談到與當(dāng)今廣泛使用的液化天然氣(LNG)相比，氫氣面臨的進(jìn)一步挑戰(zhàn)，斯萬格繼續(xù)說道，“液態(tài)氫比LNG冷得多，液化和處理需要更多的能源。這就是許多科研團(tuán)隊現(xiàn)在正在努力的地方，以弄清楚如何將我們所知道的LNG儲存（我們已經(jīng)做了幾十年）應(yīng)用到大型液氫罐中，還有什么差距我們需要解決。有挑戰(zhàn)，但在我看來這些都是可以實現(xiàn)的。”

 

隨著NASA展望即將到來的將美國宇航員送回月球的Artemis任務(wù)，氫將繼續(xù)發(fā)揮其關(guān)鍵作用。航天局剛剛對肯尼迪航天中心世界上最大的液氫儲罐進(jìn)行收尾工作，該儲罐將為太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)火箭提供燃料。