Szenzorok óvhatnak a hidrogéntartályok megrepedésétől

A hidrogén új reményt ad az energia és a mobilitási szektorok sikeres átformálásához annak ellenére, hogy ez a gáz rendkívül robbanékony, így szigorú biztonsági intézkedéseket kell alkalmazni a használata közben. A legújabb hidrogénes járművek légnemű halmazállapotban, 700 bar nyomásra tervezett, szálerősítésű kompozit (FRC) tartályokban hordozzák az anyagot, amiknek teljes üzemi kihasználtság mellett is biztonságosnak kell maradniuk. A tárolórendszereket kétévente ellenőrzésnek kell alávetni, ami azonban csupán egy külső szemrevételezésből áll. Ez értelemszerűen nem elegendő, mivel az esetleges belső sérülések így rejtve maradnak. Ennek megoldására kezdett bele az új szenzoralapú rendszer fejlesztésébe a Fraunhofer Intézet.

Az első éles használat előtt a hidrogéntartályokat széleskörű tesztelésnek vetik alá a biztonságos működés garantálásának érdekében. Ellenőrzik, hogy a tartály megőrzi-e az integritását az újratöltések és ürítések által okozott terhelés ellenére is, valamint hogy baleset esetén is ép marad-e. Külső szemrevételezéssel az így okozott sérülések nem állapíthatóak meg, ezért a HyMon projekt részeként a Darmstadtban dolgozó kutatók és partnereik által fejlesztett intelligens állapotmegfigyelő rendszer a hidrogéntartály szerkezeti állapotát ellenőrzi. A rendszer szenzorokból és elemző elektronikai alkatrészekből áll. „A technológiánk képes tényszerű információkat adni a német műszaki ellenőrző egyesületek (TÜV) ellenőreinek a tartályt ért behatásokról, hogy így objektíven meghatározható legyen, használható-e még az eszköz, vagy cserére szorul” – mondta Johannes Käsgen, a Fraunhofer fizikusa.

Hallgatózó szenzorok

A technológia gerincét az akusztikus emissziós (hangkibocsátást figyelő) szenzorok adják. Ha egy karbonszál elszakad a tartályban, az egy hanghullámot generál, ami végighalad a szálakon. A szenzorok érzékelik ezt a magas frekvenciájú hullámot, amiből meg tudják állapítani az elszakadt szálak mennyiségét.

„Az olyan különleges behatások, mint egy hátulról érkező ütközés, a tartálynak egy nagyobb területét is képesek károsítani, ami sok szál egy időben történő gyors elszakadásához vezet” – magyarázta el Käsgen. „A mért jeleket elemző elektronikai alkatrészek dolgozzák fel, így információt adva a tartály állapotáról.” A szálak törésének észleléséhez szükséges algoritmusokat és módszereket is az Intézetnél fejlesztik. A modern technológiának köszönhetően akár az olyan kis behatások által okozott sérülések is észlelhetőek, mint egy bójával való ütközés. A tank élettartama is könnyen megbecsülhető és a szükségtelen tartálycserék is elkerülhetőek.

Az akusztikus szenzorok mellett a tartályok üvegszálas optikai deformációs szenzorokkal is fel vannak szerelve. Az üvegszálakat a tartály FRC rétegébe építik be még a gyártási folyamat közben, vagy később a külső felületükre szerelik fel őket. Az optikai deformációs szenzorok folyamatosan vagy periodikusan figyelik a tartályon keletkező elváltozásokat. A hagyományos deformációs szenzoroktól eltérően az üvegszálas érzékelők kimondottan jól használhatóak a karbonszálakkal erősített műanyagokban, mivel nagyon ellenállóak az erőteljes anyagdeformációkkal és terhelésekkel szemben. A mért adatokat főként a tartályokkal kapcsolatban végzett számítások ellenőrzésére, másodsorban pedig az anyag viselkedésében fellépő változások rögzítésére használják fel.

Virtuálisan is tesztelik

A rendszer tesztelésének első részében szándékosan különböző sérüléseket okoznak egy tesztdarabban, például szálszakadást, nagyobb területű törést vagy delaminációt (rétegek elválása egymástól). A tesztdarabra csak szenzorokat szerelnek az elemző elektronikák nélkül. A teszt közben azt vizsgálják, hogy a szenzorok megfelelően képesek-e érzékelni a sérülések okozta jeleket, és hogy az algoritmusok helyesen ismerik-e fel a sérülések típusait.

A következő lépésben már a teljes rendszert tesztelik egy vékony falú tartályon, majd egy magasnyomású hidrogéntartályon is kipróbálják azt, miközben ciklikus behatások érik a nyomás alatt lévő alkatrészt, amíg az meg nem hibásodik. A kutatókat főként a szükséges szenzorok mennyisége, azok elhelyezése, és a megfelelő ragasztóanyag kiválasztása érdekli.

Legvégül egy tesztjárművet szerelnek fel szenzorokkal és fedélzeti állapotmegfigyelő rendszerrel. A járműbe szerelt szerkezetet egy virtuális balesetben, azonban valódi tesztkörnyezetben ellenőrzik.

A fejlesztésben résztvevők célja az, hogy egy teljes, számos különböző járműbe beépíthető rendszert fejlesszenek.