لماذا يستخدم الهيدروجين في وقود الصواريخ

اكتشف العلماء أن غاز الهيدروجين لديه قدرة عظيمة على تشغيل الصواريخ، ويكمن السبب في أن الهيدروجين يحتوي على ثلاثة أضعاف الطاقة التي ينتجها البنزين، وهذا ليس السبب الوحيد.

يتميز الهيدروجين بخفة وزنه، مما يسمح للصاروخ بالحركة بسرعة وخفة أكبر، وتركز الأبحاث العلمية على خلط الهيدروجين مع الأكسجين في حالتهما السائلة لتكون وقودًا لصاروخ “آريان 5” الأوروبي.

بالإضافة إلى وزنه الخفيف وقدرته العالية على الاحتراق، فإنه يتميز أيضًا بكفاءة مذهلة في كمية الوقود التي يستهلكها لدفع الصاروخ.

لم يتم اختيار هذا الغاز الهيدروجين بصورته السائلة كوقود للصواريخ بصورة عرضية، بل يعود ذلك إلى الخصائص الهامة التي يتميز بها الهيدروجين عند احتراقه، والتي جعلته يستخدم كوقود للصواريخ، من بينها احتوائه على خصائص مميزة مثل:

• عندما يحترق الهيدروجين، يتولد كمية هائلة من البخار، ويخرج من أنبوب يقع في الخلف من الصاروخ، ويكون متصلا في نفس الوقت بالمحرك “فولكين”، مما يساعد على إطلاق الصاروخ بشكل أكثر قوة وسرعة من المعتاد
• أما عن كيفية بدء عملية الاحتراق، فهنا يكمن دور غاز الأكسجين، والذي عندما يلامس الأكسجين يشتغل من فوره، لهذا نجد بداخل الصاروخ آريان خزان ضخم آخر به نحو 162 طن من الأكسجين سائل بداخله، ودرجة حرارته 183، بينما خزان الهيدروجين يحتوى على 28 طن فقط منه، ودرجة حرارته 252,87 درجة.

وهناك تاريخ لاستخدام الهيدروجين كوقود للصواريخ بالنسبة لاستخدام الهيدروجين السائل كوقود، بدأ استخدامه للمرة الأولي في سبعينات القرن العشرين، وتم هذا رغبةً في تطوير الصواريخ، والوقود المستخدم له، وكان هذا بالتحديد مع تجربة صاروخ أوروبي المعروف باسم آريان.

لقد واجه العلماء الذين فكروا في استخدام الهيدروجين بدلا من البنزين تحديا كبيرا، وذلك بسبب الميزات التي تتمتع بها خلايا الوقود الهيدروجينية

بينما تقدم الاتحاد السوفيتي في خطواته بعدة سنوات، تحديدا في منتصف العقد الثامن من القرن نفسه، لم يتمكن من الوصول إلى القمر قبل الأوروبيين

التحديات التي تواجه العلماء في استخدام الهيدروجين كوقود

من الأمور الهامة التي يجب على العلماء مراعاتها أثناء استخدام الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ، هي:

• يتم تجنب تعرض الصاروخ لدرجات حرارة مرتفعة أثناء دخوله الغلاف الجوي، وهو في طريقه إلى الفضاء الخارجي، وذلك لتجنب تعرض الهيدروجين للغليان والتبخر.
• من الضروري التأكد من عدم تعرض الصاروخ لأشعة الشمس لتجنب تمدد الهيدروجين السائل.
• يجب التأكد من عدم تسرب سائل الهيدروجين من أي منافذ صغيرة سبق لحامها بعناية عالية من قبل خبراء في مختبر الدفع الجوي المسمى “لويس.
• على الرغم من مزايا الهيدروجين كوقود، إلا أنه يتميز بكثافة طاقة منخفضة، ولتحقيق الاستفادة الكاملة من إمكاناته يجب تخزين كميات كبيرة منه.
• يجب حماية الموجودين والمكان نفسه في قواعد إطلاق الصواريخ من خطر الانفجار أو نشوب الحرائق، ولذلك يتم بناء هذه القواعد بشكل وقائي وقوي.

عيوب استخدام الهيدروجين كوقود

على الرغم من أن استخدام الهيدروجين كوقود آمن وصديق للبيئة، ولا يتسبب في تلوثها بأي شكل من الأشكال، فإنه يمتلك بعض العيوب، مثل:

• يعد استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة مكلفًا للغاية، خاصةً أن عملية فصله عن باقي العناصر تحتاج إلى وقت طويل نسبيًا، وتتطلب تكلفة مالية لتحقيق ذلك.
• يعتبر تخزين الهيدروجين صعبًا، وهذا أيضًا من عيوب استخدامه، حيث يتطلب استخدام خطوات وأدوات محددة، وتكلفة باهظة لتخزينه ونقله من مكان لآخر.
• عملية فصلها عن الأكسجين تحتاج إلى استهلاك العديد من مصادر الطاقة غير المتجددة، مثل الفحم والغاز الطبيعي.
• توجد بعض المخاطر التي قد تؤثر على البيئة بسبب استخدام طاقة الهيدروجين، فاستخدامها بشكل كبير قد يؤدي إلى تدمير طبقة الأوزون، وهو أمر نحن غير مرغوب فيه.
• قد يؤدي وجود معدلات أعلى من الهيدروجين في الغلاف الجوي إلى زيادة معدل المياه، ويمكن أن يؤثر ذلك على بعض جينات النباتات نظرًا لتغيرات غير اعتيادية في الأحوال الجوية.
• يحترق الهيدروجين بشدة، ولذلك يخضع لعدد كبير من الاختبارات المعملية للتأكد من القدرة على التحكم في مخاطره، حيث ينتج عن احتراقه موجة احتراقية واسعة التأثير تتراوح نسبتها بين 4٪ و75٪.

مكونات وقود الصواريخ

في الواقع، هناك أكثر من مكون يستخدم في إطلاق الصواريخ، ويختلف هذا المكون حسب نوع الوقود المستخدم، ويندرج هذا الوقود تحت عدة أنواع كالتالي:

• الوقود السائل: يتم في هذه العملية دمج عنصرين معًا، ونادرًا ما يتم الدمج بين ثلاثة عناصر، ومثال على ذلك هو خليط الهيدروجين السائل مع الأكسجين السائل لتشكيل الوقود السائل الثنائي.
• الوقود الصلب: يتميز هذا النوع من الوقود بالاعتماد على الفحم أو الخشب، بالإضافة إلى أقراص الهكسامين وكرات الوقود الخشبية، وتتألف مكوناته من الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت والكربون وبعض الرطوبة.

سعر وقود الهيدروجين

حاليًا، يُطلق على سائل الهيدروجين لقب “وقود المستقبل”، ويُستخدم كوقود عند مزجه مع الأكسجين، حيث يساعد على سرعة احتراقه، وينتج عن هذه العملية بخار ماء فقط، بدلاً من العوادم التي تنتج عند استخدام وقود البنزين.

وبالنسبة للسعر، فإنه يكون أرخص بكثير من مصادر الطاقة الأخرى، على الرغم من أن عملية فصله عن الأكسجين وطرق تخزينه هي التي تجعل تكلفته غالية.

يعلن أبرز رجال الأعمال في مجالات السيارات والطائرات الآن عن موديلات جديدة تستخدم الهيدروجين كوقود بديل لمصادر الطاقة الأخرى، ويشير إلى أن سعرها رخيص مقارنة بالوقود الحالي

استخدامات الهيدروجين السائل

بعد استخدام طاقة الهيدروجين كوقود للصواريخ لعدة سنوات، تم تفتيح آفاق جديدة للاعتماد عليها أكثر في مجالات صناعيةأخرى، حيث تعتبر طاقة الهيدروجين نظيفة ونوعًا ما آمنة على البيئة.

الاستخدامات الحالية للهيدروجين السائل:

• وقود للصواريخ الفضائية.
• الصناعات البحرية.
• المصانع: يتم استخدامه كعنصر رئيسي في بعض الصناعات مثل البلاستيك وصناعة الميثانول والمنتجات البترولية.
• مجال الزراعة: يستخدم في صناعة أسمدة الأمونيا، ويعد مهمًا جدًا في زيادة نسبة الخصوبة للتربة وتعزيز نمو النبات.
• تكرير النفط: يستخدم الهيدروجين السائل للتخلص من العناصر الملوثة في الوقود، مثل الكبريت، ويستخدم أيضًا في العملية المعروفة باسم “التكسير الهيدروجيني.
• محطات الطاقة: يستخدم الهيدروجين السائل في تبريد المولدات داخل تلك المحطات، كما يستخدم كطاقة احتياطية مخزنة في حالات الطوارئ فقط.

بالنسبة للاهتمامات الحالية للعلماء في استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة، فهناك عدة مجالات يدرسونها بجدية، وتشمل ما يلي:

• محركات الطائرات.
• محركات السيارات.

لماذا يعد الهيدروجين وقود المستقبل

هذا السؤال يكمل ما تم طرحه في الجمل السابقة، ويمكن بسهولة تخمين إجابته بعد الحصول على المعلومات السابقة وقراءتها بعناية. يتنبأ الكثيرون بأنه سيحدث تقدم جديد في مجال السيارات والمركبات بجميع أنواعها في عام 2030، وذلك بناء على اكتشاف أنواع جديدة من خلايا الوقود 

يقال أن سيارات النقل الثقيل ستعمل بالهيدروجين السائل، وستكون منافسة قوية لشاحنات الديزل، مما يسلط المزيد من الضوء على إنتاج الهيدروجين