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極低温燃料は、液体状態を維持するために極低温で保管する必要がある燃料です。これらの燃料は、宇宙で稼働する機械（ロケットや衛星など）で使用されます。宇宙では気温が非常に低く、燃焼に適した環境がないため（地球では大気中に酸素が豊富にありますが、人間が探索できる宇宙は真空で酸素がほとんど存在しないため）、通常の燃料は使用できません。極低温燃料は、ほとんどの場合、液体水素などの液化ガスです。
一部のロケットエンジンは再生冷却を採用しています。これは、燃料が燃焼室に送り込まれて点火される前に、極低温燃料をノズルの周囲で循環させる方法です。この仕組みは、1940 年代にオイゲン・ゼンガーによって初めて提案されました。月への最初の有人ミッションを送ったサターン Vロケットのすべてのエンジンはこの設計要素を採用しており、これは現在でも液体燃料エンジンに使用されています。
液体酸素は、実際には燃料ではなく酸化剤であるにもかかわらず、誤って極低温燃料と呼ばれることがよくあります。あらゆる燃焼エンジンと同様に、燃焼の非酸素成分のみが「燃料」と見なされますが、この区別は恣意的です。
ロシアの航空機メーカー、ツポレフは、人気の高いTu-154の設計に極低温燃料システムを搭載したバージョンを開発し、 Tu-155と名付けました。液化天然ガス（LNG）と呼ばれる燃料を使用し、1989年に初飛行しました。
手術
極低温燃料は、不活性燃料と可燃性燃料の 2 つのカテゴリに分類できます。どちらのタイプも、液体が気相に変化するときの液体対ガスの大きな体積比を利用します。極低温燃料の実現可能性は、高質量流量と呼ばれるものと関連しています。[1]規制により、極低温燃料の高密度エネルギーは、ロケットの推力と燃料の消費を制御するために利用されます。次のセクションでは、さらに詳しく説明します。
不活性
これらのタイプの燃料は、通常、ガス生成と流れの調整を利用してエンジンのピストンを動かします。圧力の大幅な増加は制御され、エンジンのピストンに向けられます。ピストンは、ガス燃料の監視された生成から変換された機械的動力によって動きます。注目すべき例は、ピーター・ディアマンの液体空気車両に見ることができます。一般的な不活性燃料には、次のものがあります。
可燃性
これらの燃料は、液体の有益な極低温特性と物質の可燃性を利用して動力源とします。これらのタイプの燃料は、主にロケットでの使用でよく知られています。一般的な可燃性燃料には次のものがあります。
エンジンの燃焼
可燃性の極低温燃料は、ほとんどの不活性燃料よりもはるかに多くの有用性を提供します。液化天然ガスは、他の燃料と同様に、適切な量の空気と適切に混合された場合にのみ燃焼します。LNGに関しては、効率の大部分はメタン価に依存します。メタン価はオクタン価のガス当量です。[2]これは、液化燃料とその他の溶解ガスのメタン含有量に基づいて決定され、実験的効率の結果として変化します。[2]燃焼エンジンの効率を最大化するには、適切な燃料対空気比を決定し、追加の炭化水素を利用して最適な燃焼を追加する必要があります。
生産効率
ガス液化プロセスは、より優れた機械の登場とシステムの熱損失の制御により、過去数十年にわたって改善されてきました。一般的な技術は、ガスの制御された圧力が解放されるとガスの温度が劇的に低下することを利用します。十分な加圧とその後の減圧により、ジュール・トムソン効果に代表されるように、ほとんどのガスを液化できます。[3]
液化天然ガス
天然ガスを液化して貯蔵、輸送、使用するのは費用対効果が高いが、その過程でガスの約10～15%が消費される。[4]最適なプロセスには、4段階のプロパン冷凍と2段階のエチレン冷凍が含まれる。冷媒段階を追加することもできるが、設備の追加コストは経済的に正当化できない。[要出典]効率は、冷媒の凝縮に関連するソースとシンク間の全体的な温度差を最小限に抑える純粋成分カスケードプロセスに結び付けることができる。最適化されたプロセスには、純粋な冷媒の使用とともに最適化された熱回収が組み込まれている。実績のある技術を使用する液化プラントのすべてのプロセス設計者は、純粋な冷媒を使用して混合物を効率的に冷却および凝縮するという同じ課題に直面している。最適化されたカスケードプロセスでは、冷却および凝縮される混合物は供給ガスである。プロパン混合冷媒プロセスでは、冷却および凝縮を必要とする2つの混合物は、供給ガスと混合冷媒である。非効率性の主な原因は、液化プロセス中の熱交換トレインにあります。[5]
利点と欠点
利点
- 極低温燃料はガソリンや化石燃料よりも環境に優しい。とりわけ、貨物輸送時にガソリンではなくLNGを使用すると、温室効果ガスの排出量を11～20％削減できる可能性がある。 [6]
- 天然ガスは環境に優しいだけでなく、化石燃料に比べて豊富に存在するため、内陸製品の輸送コストを大幅に削減できる可能性があります。[6]
- 極低温燃料は化石燃料よりも質量流量が高いため、エンジンで燃焼させたときにより大きな推力と出力を生み出します。つまり、エンジンは現代のガスエンジンよりも少ない燃料でより長い距離を走行できるということです。[7]
- 極低温燃料は非汚染物質であるため、たとえ流出しても環境に危険を及ぼすことはありません。流出後に有害廃棄物を除去する必要はありません。[8]
潜在的な欠点
- LNGのような極低温燃料の中には、自然に燃えるものもあります。燃料が漏れて引火すると大爆発を起こす可能性があります。これはLNGエンジンを搭載した自動車が衝突した場合に起こり得ます。[8]
- 極低温貯蔵タンクは高圧に耐えられる必要があります。高圧推進剤タンクには厚い壁と強力な合金が必要であり、これによって車両タンクが重くなり、性能が低下します。
- 極低温燃料は毒性はないものの、空気よりも密度が高いため、窒息を引き起こす可能性があります。漏れた場合、液体は沸騰して非常に密度の高い冷たいガスになり、吸入すると致命的となる可能性があります。[9]
参照
参考文献
- ^ ビブラーズ、オスカー;ジョージ・H・サットン (2009)。ロケット推進要素。ニューヨーク: ワイリー。 p. 597.ISBN 978-0-470-08024-5。
- ^ ab Øyvind Buhaug (2011-09-21). 「LNGの燃焼特性」(PDF)。LNG燃料フォーラム。2012-12-22にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2015-12-09に取得。
- ^ Oil and Gas Journal (2002-08-09). 「LNG液化技術は効率性の向上と排出量の削減に向かっている」。2016年6月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年12月9日閲覧。
- ^ Bill White (2012-10-02). 「LNGについて知っておくべきことすべて」THe Oil Drum。2019年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年12月9日閲覧。
- ^ Weldon Ransbarger (2007). 「LNGプロセス効率の新たな視点」(PDF) 。LNG業界。2016年6月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年12月9日閲覧。
- ^ ab 「LNGの利点とは」。2015年。2017年12月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年12月2日閲覧。
- ^ Ramachandran, R. (2014-02-07). 「極低温の利点」. Frontline . 2014-03-29時点のオリジナルよりアーカイブ。2015-12-02閲覧。
- ^ ab Cryogenic Fuels, Inc. (1991-12-16). 「液体メタン燃料の特性評価および安全性評価レポート」(PDF)。メトロポリタン交通局。2018-10-09 のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2015-12-02に取得。
- ^ Asogekar, Nikhil. (2015-12-02). 「極低温液体の危険性」CCOHS . 2019-09-25時点のオリジナルよりアーカイブ。2015-12-02に閲覧。