Für eine nachhaltige und CO2-neutrale Mobilität ist der Energieträger Wasserstoff eine vielversprechende Lösung. Die Speicherung von Wasserstoff als Treibstoff ist dazu eine wichtige Grundlage. Hochdrucktanks werden zum Teil bereits in einigen Anwendungen verwendet und kontinuierlich weiterentwickelt. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ist die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form (LH2) aufgrund der hohen Energiedichte eine interessante Lösung.
Die Entwicklung und der Einsatz von Speichersystemen für flüssigen Wasserstoff in Flugzeugen sind mit vielfältigen Herausforderungen verbunden https://leichtbau.dlr.de/immer-schon-kuhl-bleiben-herausforderungen-fur-die-strukturauslegung-von-wasserstofftanks. Eine wesentliche Anforderung an derartige Wasserstoffspeicher ist ein möglichst geringes Gewicht. Hier bieten sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) an. Allerdings ist ihr Werkstoffverhalten bei derart niedrigen Temperaturen (-252 °C!) bisher noch unzureichend erforscht. Insbesondere Effekte der Wärmeausdehnung erschweren ein robustes Design. Die Tankstrukturen und ihre Versorgungsanschlüsse müssen bei jedem Füll- und Temperaturzustand und über die gesamte Strukturlebensdauer dicht sein. Weiterhin sind geeignete Fertigungstechnologien für diese Materialien mit ausreichender industrieller Reife erforderlich und ggf. noch zu entwickeln. https://leichtbau.dlr.de/speicherung-von-kryogenem-wasserstoff-in-composite-flugzeugtanks Diese und weitere Anforderungen und Aspekte beeinflussen sich gegenseitig. Das macht den Entwicklungsprozess komplex, zeitaufwendig und teuer.
Aufbau
Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen, hat unser Institut mehrere Testtechnologien entlang der Testpyramide entwickelt. Eine davon ist der Halbtankversuch, der das Testen unter realistischen Bedingungen ermöglicht. Dieser Versuchsstand bietet damit eine generische Testmöglichkeit zur Entwicklung von Analyseverfahren und zur Verifizierung neuartiger Strukturkonzepte. Der Testaufbau basiert auf einem halben Tank, kurz Halbtank, mit einem Durchmesser von 400 mm und einer beliebigen Domkontur. Untersuchungsgegenstand ist genau dieser Dombereich und eine Länge von 200 mm in den zylindrischen Bereich hinein. Die Halbtank-Prüflinge sind dazu in einem Druckbehälter eingespannt, der für Drücke bis zu 20 bar und ein mögliches Bersten des Tanks ausgelegt ist. Die Einspannung dichtet den Halbtank zur Behälterwand ab und trennt so das Tankvolumen von der äußeren Atmosphäre. Ein Verdrängungskörper im Inneren des Halbtanks reduziert effizient das erforderliche Testvolumen. Kühlkanäle, ein Hitzeschild und Leitbleche gewährleisten die Einhaltung der thermischen Randbedingungen. Mehrere Rohranschlüsse ermöglichen sowohl die Einstellung von Vakuumbedingungen im Behälter, als auch die Bedruckung des Tanks. Das Volumen des Halbtanks lässt sich wahlweise mit Gasen (Stickstoff, Wasserstoff, Helium, etc.) oder mit kryogenen Flüssigkeiten (Flüssigstickstoff, Flüssigwasserstoff) befüllen. Gleichzeitig ermöglicht das Konzept den Einsatz von verschiedener Sensorik. Fenster in der Behälterwand des Teststandes erlauben die optische Inspektion des Halbtankprüfkörpers.
Untersuchungsschwerpunkte
Ein Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Messung des Permeations- oder Leckageverhaltens des Halbtanksystems. Durch interne Druckbeaufschlagung mit Helium bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Vakuums an der Außenseite lässt sich ermitteln, wie viel Helium durch die Tankwand strömt. Solche Untersuchungen sind für verschiedene Systeme durchführbar. Beispielsweise lassen sich neue Fertigungs- oder Fügetechnogien anwendungsnah erforschen und entsprechenden Leckageeigenschaften messen. Ebenso sind Belastungszustände infolge verschiedener thermischer Bedingungen und unterschiedlicher Druckstufen variierbar. Dabei misst eine umfassende Sensorik die Temperaturverteilung und Verformungen. Der Teststand ist ebenso für ein mögliches Bersten des Halbtanks konzipiert und erlaubt damit auch die Untersuchung von Schädigungsmechanismen und den damit verbundenen Einfluss auf das Leckageverhalten. Die Möglichkeit, den Halbtank mit flüssigem Wasserstoff zu befüllen, stellt ein realitätsnahes Versuchsszenario dar. Die Ergebnisse bilden eine hervorragende experimentelle Grundlage für die Untersuchung des Verhaltens solcher Tanks und zur Validierung von Simulationen der genannten Belastungsszenarien.
