眼見為實：華盛頓州立大學實現管道內液態氫沸騰可視化

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

華盛頓州立大學（WSU） 的研究人員開發了這一可視化工具。液態氫在管道中呈現出珠狀、霧狀并閃爍的形態，其表現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普爾曼校區和三城校區實驗室的空客熱流體整體氫系統負責人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。盡管此前已經有人對儲罐中的液態氫進行過可視化，但液態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“總體框架協議”，允許空客在協議范圍內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，而這一目標的實現依賴于對氫相變物理機制的深入理解。

HYPER實驗室創始人、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氫挑戰，而不是被嚇退并選擇放棄的航空公司。這是我在WSU任教期間經歷過的最好的產業合作。他們非常懂得如何與學生合作，與這個全球團隊共事的經歷非常棒。”

熱流體整體氫系統負責人Sibilli指出：“實現氫燃料商用航空仍面臨諸多障礙；即便飛機成功研發，其大規模應用仍需要從機場到燃料儲存與運輸在內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。”

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

然而，僅憑肉眼觀察低溫液態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，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。

該可視化流動單元被安裝在一個可套設于液態氫管道外的真空腔體中，腔體內配備多種傳感器，并向管道發射連續固態激光，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流體管道系統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據、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公司的實習機會，并最終進入該領域就業。

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與技術高級經理Aaron Rubel，另一位是常駐印度的系統工程師Surya Suryaprakash Thiagarajan。

除HYPER實驗室外，他們還參觀了材料與過程創新計算智能實驗室、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三城校區的生物產品、科學與工程實驗室，并體驗了當地的自然與文化景觀。

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、新能源網綜合）