Forscher der Florida A&M University und des College of Engineering der Florida State University haben ein System zur Speicherung und Verteilung von flüssigem Wasserstoff entwickelt, das eine wichtige technologische Grundlage für die nächste Generation emissionsfreier Luftfahrt bietet. Das System löst mehrere technische Herausforderungen bei der Anwendung von Wasserstoff in der Luftfahrt, indem es Treibstoffspeicherung, Kühlung und Steuerung der Wasserstoffzufuhr integriert. Dadurch kann flüssiger Wasserstoff sowohl als sauberer Treibstoff als auch als internes Kühlmedium für elektrische Flugzeugantriebe dienen. Die Forschungslösung ist speziell für ein 100-sitziges Hybrid-Elektroflugzeug konzipiert und kombiniert eine Wasserstoffbrennstoffzelle mit einem wasserstoffturbinengetriebenen supraleitenden Generator, um den Energiebedarf in allen Flugphasen zu decken.

Wasserstoff gilt aufgrund seiner hohen Energiedichte und der fehlenden CO₂-Emissionen als idealer, sauberer Treibstoff für die Luftfahrt. Seine geringe Dichte erfordert jedoch die Speicherung in flüssigem Wasserstoff bei -253 °C. Das Forschungsteam ermittelte durch Systemoptimierung ein Verhältnis von Treibstoffmasse zu Gesamtsystemmasse, das die Masse von Komponenten wie Wasserstofftreibstoff, Tankstruktur und Isolierung umfasst. Nach wiederholten Anpassungen von Parametern wie Abgasdruck und Wärmetauscherabmessungen wurde schließlich ein Gewichtsverhältnis von 0,62 erreicht. Dies bedeutet, dass 62 % des Gesamtgewichts des Systems auf nutzbaren Wasserstofftreibstoff entfallen – eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Konstruktionen. Das System nutzt flüssigen Wasserstoff zudem innovativ für das Wärmemanagement: Ultratiefgekühlter Wasserstoff durchströmt einen mehrstufigen Wärmetauscher, kühlt kryogene Komponenten wie den supraleitenden Generator und Motor nacheinander und erwärmt ihn nach der Wärmeaufnahme von Hochtemperaturkomponenten auf die für die Brennstoffzelle benötigte Temperatur. Dadurch wird die Komplexität eines separaten Kühlsystems vermieden.

Um die Herausforderungen beim Transport von flüssigem Wasserstoff zu bewältigen, entwickelte das Team ein pumpenloses Druckregelungssystem. Dieses System steuert den Tankdruck durch Einspritzen von Wasserstoff aus Hochdruckflaschen oder durch Ablassen von Dampf und kombiniert dies mit einem Echtzeit-Regelkreis, um den Leistungsbedarf im Flug zu decken. Simulationen zeigen, dass das System Wasserstoff mit einer Rate von 0,25 kg pro Sekunde transportieren und den Leistungsbedarf von 16,2 MW beim Start decken kann. Professor Wei Guo vom Institut für Maschinenbau erklärte: „Wir haben die Machbarkeit des Transports von flüssigem Wasserstoff und der Kühlung des Antriebssystems demonstriert. Eine effiziente Integration erfordert jedoch eine Optimierung auf Systemebene.“

Diese Forschung wurde vom NASA-Programm „Integrated Zero Emissions Aeronautics“ (IZA) in Zusammenarbeit mit Institutionen wie dem Georgia Institute of Technology gefördert. In der nächsten Phase wird ein Prototyp entwickelt und am Advanced Power Systems Center der Florida State University getestet. Die Florida State University ist führend in Bereichen wie Wasserstoffspeicherung und Wärmemanagement, und ihr Forschungsteam umfasst Experten für Kryotechnik und Supraleitung.