Vokietijos turbina pagerino ankstesnį NASA rekordą: vandenilio variklis veikė ilgiau nei tikėtasi

Kovoje su klimato kaita esminis tikslas – atsisakyti iškastinio kuro. Toliau deginant naftą, dujas ar anglį, į atmosferą išmetama vis daugiau anglies, didinamas šiltnamio efektas ir spartinamas globalus atšilimas. Nors saulės ir vėjo elektrinės gali gaminti elektros energiją, jų galios dažnai nepakanka ilgo nuotolio jūrų ar oro transportui, kuriam reikalingi itin dideli energijos kiekiai.

Mokslininkai jau kurį laiką vysto alternatyvius degalus, galinčius pakeisti iškastinį kurą turbinose ir sumažinti anglies dioksido emisijas. Plečiamas sintetinių aviacinio kuro alternatyvų ir tvariai pagaminto vandenilio naudojimas dujinėse turbinose ir reaktyviniuose varikliuose. Tačiau tradicinių variklių neefektyvumas tampa vis akivaizdesnis ir jo nebegalima ignoruoti.

50 % galios prarandama suspaudžiant orą

Įprastos dujinės turbinos dirba pagal Braitono (Brayton) ciklą. Tam, kad būtų išgauta galia, aukštu slėgiu suslėgtos dujos deginamos labai aukštoje temperatūroje. Turbina nuolat siurbia orą, jį suspaudžia, sumaišo su kuru ir sudegina. Visas šis procesas pats savaime reikalauja daug energijos.

„Įprasta dujinė turbina, naudojama, pavyzdžiui, elektrinėse ar lėktuvų varikliuose po sparnais, apie 50 procentų savo galios sunaudoja tam, kad suspaustų orą iki aukšto slėgio, reikalingo efektyviam degimui. Ši galia vėliau nebegali būti panaudota elektros gamybai“, – aiškina „KIT“ Šiluminės energetikos technologijų ir saugos instituto („Institute of Thermal Energy Technology and Safety“, ITES) direktorius Danielis Banuti.

Dėl šios priežasties mokslininkai ieško alternatyvių metodų, kuriems nereikėtų mechaninio oro suspaudimo ir kurie leistų išgauti daugiau elektros energijos iš to paties kuro kiekio. Viena iš tokių krypčių – slėgį didinanti degimo technologija (angl. pressure gain combustion), kai aukštas slėgis sukuriamas pasitelkiant detonacijos bangas degimo kameroje. Tokiai sistemai nereikia tradicinių mechaninių kompresorių, todėl sumažėja judančių dalių skaičius ir padidėja bendras įrenginio naudingumo koeficientas.

Rekordinė veikimo trukmė

„KIT“ mokslininkai prie dujinės turbinos be kompresoriaus technologijos dirba jau kelerius metus. Ankstesniuose bandymuose turbina būdavo paleidžiama tik akimirksniui, nes buvo baiminamasi, kad dėl itin intensyvaus degimo gali išsilydyti degimo kameros. Naujausiose studijose tyrėjų komandai pavyko pasiekti, kad turbina veiktų ilgiau nei penkias minutes – tiksliai 303 sekundes.

Taip buvo pagerintas iki tol „NASA“ priklausęs kompresoriaus neturinčios dujinės turbinos veikimo rekordas – 250 sekundžių. Bandymuose „KIT“ komanda naudojo vandenilį, tačiau pati turbina iš principo gali dirbti su bet kuriomis dujinėmis degiosiomis medžiagomis.

Mokslininkai sąmoningai renkasi vandenilį, nes jis reaguoja labai greitai ir leidžia pasiekti stabilesnį slėgio padidėjimą degimo kameroje. Dar svarbiau tai, kad vandenilį galima gaminti naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius, todėl ilgalaikėje perspektyvoje tai yra daug tvaresnis kuras nei iškastinis.

Tyrėjams taip pat pirmą kartą pavyko tiesiogiai generuoti elektros energiją iš šios turbinos. „Tai itin sudėtinga, nes labai greiti ir intensyvūs degimo procesai kameroje apsunkina stabilų energijos perdavimą į turbiną“, – pabrėžia D. Banuti.

Pasak jo, tai – svarbus žingsnis kuriant itin efektyvią ir lanksčią vandenilio energetiką, galinčią tapti vienu iš kertinių ateities energetikos sistemos be iškastinio kuro elementų.

„KIT“ komanda planuoja savo sukurtą dujinę turbiną be kompresoriaus pristatyti tarptautinėje pramonės parodoje „Hannover Messe“, kuri vyks 2026 m. balandžio 20–24 dienomis.