Морская вода в реактивное топливо
Ядерное топливо может обеспечить поистине ошеломляющее количество энергии. Например, дальность полета современных американских кораблей с атомными двигателями лучше всего измерять не в морских милях, а в годы или даже десятилетия. [1,2] Таким образом, с точки зрения количества миль, атомная подводная лодка или авианосец имеют практически неограниченный радиус действия.Но тактическое достоинство авианосца заключается не только в плавании в открытом море, но и в его способности запускать самолеты; Таким образом, полезная дальность полета авианосца ограничивается не его ядерным топливом, а его реактивным топливом.
Расход реактивного топлива и запас хода
Атомные авианосцы США, такие как Нимиц авианосец (рис. 1), может иметь запас реактивного топлива около трех миллионов галлонов и обычно несет более 50 истребителей. [2] По сравнению с баком на 12 галлонов или около того, установленным в автомобиле эконом-класса, это фантастическое количество топлива. Но ясно, что истребитель F-14 гораздо более прожорлив, чем Ford Focus; так что с точки зрения самолетов и авианосцев, то сколько топлива составляет три миллиона галлонов? Начнем с того, что обычное топливо для реактивных двигателей (JP-5) имеет плотность около 0,8 кг на литр (кг/л), поэтому наш типичный носитель может вместить около [3]
(3×10 6 галлонов) × (3,8 л/гал) × (0,8 кг/л) = 9,1×10 6 кг
реактивного топлива. В качестве истребителя я буду использовать F-14A Tomcat, самолет-носитель. Tomcat имеет максимальный запас топлива около 9000 + 2000 литров (внутренние + внешние топливные баки), или около [4]
11000 л × 0,8 кг/л = 8,8 × 10 3 кг,
так что со всеми 50+ F-14, заправленными топливом, это примерно 4,4×10 5 кг топлива. Разделив запас топлива авианосца на запас топлива парка истребителей, мы получим, что типичный авианосец может заправить каждый истребитель примерно 20 раз, прежде чем иссякнет его запас реактивного топлива.
Можно выполнить альтернативный расчет, чтобы увидеть, сколько летных часов может обслуживать авианосец, то есть количество самолетов в воздухе, умноженное на количество часов доступного топлива. Для этого как раз и нужны знания расхода топлива истребительной авиации. Tomcat имеет дальность полета в одну сторону около 3100 км при полной заправке топливом. [4] При максимальной крейсерской скорости 1019 км/ч он полностью израсходует топливо примерно за три часа. Исходя из приведенного выше запаса топлива, это означает, что он использует топливо со скоростью примерно 2900 кг/ч.Разделив это на вместимость нашего типичного авианосца, мы получим, что наш авианосец может обслуживать примерно 3100 авиачасов; он мог поддерживать все 50+ самолетов одновременно в течение примерно двух с половиной дней или около 4 самолетов одновременно в воздухе в течение месяца.
Хотя эти расчеты несколько надуманы, дело в том, что запас реактивного топлива атомного авианосца на самом деле не так уж и велик. Достаточно топлива, чтобы держать все самолеты в небе в течение нескольких дней до дозаправки авианосца, это ничто по сравнению с десятилетиями, которые ядерные реакторы могут пройти между дозаправками.
Синтез топлива на носителе
Хотя заправка авианосца реактивным топливом значительно менее трудоемка, чем заправка ядерных реакторов, тем не менее, она сложна с точки зрения логистики и тактики. Поскольку ядерная энергия на борту кажется безграничной, способ преобразования ядерной энергии в топливо для реактивных двигателей может стать инновацией, «меняющей правила игры». [5] В качестве быстрой проверки здравомыслия давайте посмотрим, действительно ли атомные силовые установки могут производить энергию в масштабе, необходимом для питания самолетов. Реактивное топливо имеет плотность около 46 мегаджоулей на килограмм. Нимиц Двигательная установка авианосца класса США рассчитана примерно на 200 мегаватт, или 2×10 8 джоулей в секунду. Таким образом, за один день ядерные реакторы могут производить энергию, эквивалентную
(2×10 8 Дж/с) × (1 день) / (46×10 6 Дж/кг) ≅ 3,75×10 5 кг
или около 125 000 галлонов реактивного топлива в день (заполнение трехмиллионного бака примерно за 24 дня). Таким образом, хотя авианосец, по-видимому, не производит достаточно энергии, чтобы обеспечить непрерывное питание всех 50+ самолетов, его мощности достаточно, чтобы постоянно держать в воздухе несколько самолетов. Но это, конечно, при условии, что атомную энергию можно превратить в реактивное топливо со 100-процентной эффективностью — понятно, что при этом будут какие-то потери.
В недавней статье рассматривается возможность использования морской воды и ядерной энергии для синтеза реактивного топлива.[5] Весь процесс мог происходить в море (например, на авианосце или специальном топливозаправщике). В таком процессе углерод (в форме CO2) удаляется из океана, а водород производится электролизом. Отсюда реактивное топливо может быть синтезировано с помощью процесса Фишера-Тропша. (Процесс Фишера-Тропша очень старый, он использовался немцами во время Второй мировой войны для производства жидкого топлива из угля.) реактивного топлива можно было производить в сутки; сверху, это означает КПД около 66%. При оценочной стоимости — при условии эффективного улавливания углерода из морской воды — от 3 до 6 долларов за галлон, это несколько выше, чем существующие затраты на топливо для реактивных двигателей. Однако связанная с этим логистика доставки топлива на авианосец обходится, что делает эту технологию очень привлекательной с тактической точки зрения.
Вывод
Превращение морской воды в топливо для реактивных двигателей — невероятно окольный способ избежать дозаправки авианосца. И в качестве средства избежать зависимости от иностранной нефти это кажется окольным путем — в США есть достаточные запасы природного газа, который также можно использовать для производства реактивного топлива с помощью процесса Фишера-Тропша. Тем не менее, возможность превращать морскую воду непосредственно в топливо для реактивных двигателей, без зависимости от иностранной нефти и практически без выбросов углерода, тем не менее интригует. С энергией, поступающей от практически безграничных запасов ядерного топлива, кого волнует, сжигаете ли вы немного дополнительного урана для питания своих самолетов?
© Брэннон Клопфер. Автор разрешает копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.
использованная литература
[1] А. Чоки и К. Бьоркело, "Эффективные методы обслуживания для управления старением системы", Proc. Симпозиум по надежности и ремонтопригодности (RAMS) 1992 (IEEE, 1992), с.166.
[2] Джон Бирклер и другие., Промышленная база авианосцев США: структура сил, стоимость, расписание и технологические проблемы для CVN 77, (Рэнд Паблишинг, 1998).
[3] Д. М. Коррес. и другие., "Авиационное топливо JP-5 и биодизель на дизельном двигателе", Топливо 87, 70 (2006).
[4] Дж. Винчестер, Реактивные истребители: внутри и снаружи, (Издательская группа Розен, 2011).
[5] Х. Д. Уиллауэр и другие., «Возможность и текущие оценочные капитальные затраты на производство реактивного топлива в море с использованием двуокиси углерода и водорода», J. Renew. Поддерживать. Энергия 4, 033111 (2012).
[6] Э. Корпоран и другие., «Характеристики выбросов газотурбинного двигателя и исследовательской камеры сгорания, сжигающей реактивное топливо синтеза Фишера-Тропша», Energy Fuels 21, 2615 (2007).
