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Espaço: a importância dos compósitos no armazenamento de hidrogénio

17 abril 2024

Artigo de Rodrigo Pinto Carvalho e Bernardo Rocha, investigadores no INEGI. Originalmente publicado na 12ª edição da H2 Magazine.


O hidrogénio foi e seguramente continuará a ser relevante no setor aeroespacial. O potencial energético da molécula mais pequena descoberta no Universo é uma referência face às exigências da propulsão dos sistemas de lançamento.

No entanto, apesar de conter três vezes mais energia por unidade de massa do que, por exemplo, a gasolina, essa mesma unidade de massa de hidrogénio, à temperatura ambiente e pressão atmosférica, ocuparia um volume superior em cerca de três ordens de grandeza.

Torna-se, por isso, necessário considerar condições de armazenamento que resultem em maiores densidades, envolvendo, normalmente, temperaturas criogénicas ou altas pressões.

Os materiais compósitos são, assim, um importante aliado na exploração espacial e nós, no INEGI, temos vindo a trabalhar para estar na vanguarda da inovação. O projeto Viriato, que permitiu criar novos materiais e estratégias de fabrico para tanques criogénicos, é um exemplo e foi uma oportunidade para o Instituto explorar a criação de reservatórios para o setor espacial. Os tanques foram produzidos exclusivamente em material compósito, permitindo diminuir a massa total do veículo.

Tanques de hidrogénio em materiais compósitos: Quais os desafios?

O hidrogénio é tão conhecido pela leveza quanto pela elevada densidade energética. A compressão até pressões entre os 350 e 700 bar é um dos modos mais desenvolvidos e disseminados para o armazenar. A simplicidade destes sistemas, que operam à temperatura ambiente e não necessitam, por isso, de camadas adicionais de isolamento térmico, torna-os bastante atrativos para aplicações em que a quantidade de hidrogénio que se pretende armazenar é reduzida.

Apesar disso, as pressões elevadas implicam necessariamente a utilização de materiais avançados, como os compósitos, na construção de reservatórios robustos e fiáveis.

Dadas as características físicas e mecânicas do hidrogénio, os polímeros reforçados com fibra de carbono são os mais procurados para a produção de reservatórios, o que, apesar de garantir simultaneamente a sua leveza e integridade estrutural, encarece-os de forma significativa, estimando-se que a utilização da fibra de carbono contribui para mais de metade do custo destes sistemas.


Alavancar a economia do hidrogénio através dos materiais compósitos

De forma a viabilizar economicamente o uso generalizado do hidrogénio como vetor energético, o caminho passará por explorar soluções construtivas alternativas para sistemas de armazenamento mais eficientes e menos dispendiosos, cuja necessidade é acentuada pela disparidade entre as projeções da procura e da oferta de fibra de carbono num futuro próximo.

A fibra de vidro, por exemplo, que é consideravelmente mais barata, tem sido estudada como possível substituto, total ou parcial, da fibra de carbono para produzir reservatórios de pressão.

Mesmo mantendo a fibra de carbono como o principal constituinte dos reservatórios de pressão, existe a possibilidade de reduzir a sua utilização ao desenvolver modelos preditivos de falha mais precisos e que permitam otimizar a quantidade de material empregue. A par disto, surge a importância de novos processos de fabrico.

O uso de tecnologias, como Automated Fiber Placement ou Fiber Patch Placement, para produção de componentes de armazenamento com reforço seletivo de material compósito é um dos exemplos de esforços para reduzir o desperdício de fibra de carbono, resultando em sistemas mais eficientes.

O interesse partilhado com o setor aeroespacial, impulsionador dos materiais compósitos por excelência, pela temática de sistemas de armazenamento avançados é um bom augúrio para a inovação: os incentivos ao desenvolvimento tecnológico na área podem ser combinados com projetos mobilizadores como o Viriato e fortalecer os esforços envidados na construção de uma futura economia do hidrogénio.


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