Kriyojenik yakıt

Kriyojenik yakıtlar, sıvı halde saklanabilmeleri için aşırı derecede düşük sıcaklıklarda tutulması gereken yakıt çeşitleridir. Bu yakıtlar uzayda çalışması gereken (roket ve uydular gibi) makinelerde kullanılırlar çünkü sıradan yakıtlar, yanmayı destekleyen ortamın yokluğu ve uzayın boşluk olması sebebiyle, kullanılamazlar (Dünya'da oksijen atmosferde bolca bulunurken, uzayın insanlar tarafından keşfedilebildiği kısımlarında, oksijen neredeyse bulunmamaktadır). Kriyojenik yakıtlar çok sıklıkla, sıvı hidrojen gibi sıvılaştırılmış (liquefied) gazlardan oluşur.
Bazı roket motorları, tazeleyici soğutma (regenerative cooling) yöntemini kullanır. Bu yöntem kapsamında, (aşırı derecede soğuk olan) kriyojenik yakıt yanma odasına pompalanıp orada ateşlenmeden hemen önce, nozul (roket egzoz çıkışı) etrafında dolandırılır. Kriyojenik yakıtın bu şekilde kullanılması ilk defa 1940'lı yıllarda Eugen Sänger tarafından önerilmiştir. Ay'a giden ilk insanlı görevi taşımış olan Saturn V roketi tasarımında bu bileşeni kullanımış olup, bileşen günümüzde halen kullanılmaktadır.
sıvı oksijen sıklıkla ve yanlış bir şekilde, kriyojenik yakıt olarak adlandırılır, ancak aslında bir yakıt değil, oksitleyicidir.
Rus uçak/hava aracı üreticisi Tupolev şirketi 1988 yılında, çok tutulan Tu-154 tasarımının kriyojenik yakıt sistemi içeren bir versiyonunu, Tu-155, üretmiştir. Test ürünü olarak kalan bu tasarımda sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) olarak anlandırılan bir yakıt kullanılmıştı. İlk uçuşu 15 Nisan, 1988 tarihinde gerçekleştirilmiştir.
Çalışma İlkesi
Kriyojenik yakıtlar iki kategoriye ayrılabilir: yanıcı ve yanıcı olmayan/atıl. Her iki tür de, sıvı yakıtın gaza haline geçiş yaptığı sırada oluşan büyük sıvı/gaz oranından iyi ölçüde faydalanır. Kriyojenik yakıtların işe yararlığı/kullanılabilirliği Yüksek Kütle Akış Hızı olarak bilinen kavramla yakından ilgilidir. Akışı düzenlemesiyle, Kriyojenik yakıtın yüksek yoğunluktaki enerjisi roketlerde itkiye dönüştürülebilir ve böylece yakıtın düzenli/kontrollü bir şekilde tüketilebilmesine olanak verir.
Yanıcı olmayan/Atıl
Bu türdeki yakıtlar genellikle, bir motorun içindeki iteneğe/pistona güç iletilmesi amacıyla bir gazın üretiminin ve akışının düzenlenmesi/kontrol edilmesi yönetimini kullanılar. Basınçtaki büyük değişiklikler kontrol edilirelek motorun pistonlarına yönlendirilir. Denetlenen/Düzenlenen Gaz yakıtın mekanik güce dönüşmesinden dolayı pistonlar hareket ederler. Bunu güzel bir örneği olarak Peter Dearman'nın sıvı hava cihazı gösterilebilir. Bazı atıl yakıtlar aşağıda verilmiştir:
Sıvı Azot (ing:Liquid nitrogen)
Sıvı hava
Sıvı helyum
Sıvı neon
Yanıcı
Bu tür yakıtlar sıvı yakıtın yararlı özelliklerinin yanı sıra, yakıt içeriğinin alev-alabilir doğasını, ayrıca bir güç/enerji kaynağı olarak kullanırlar. Bu tür yakıtların ana kullanım alanı roketlerdir. Bazı yanıcı yakıtlar aşağıda verilmiştir:
Sıvı hidrojen
Sıvı doğal gaz (LNG)
Sıvı Metan
Motordaki yanma
Yanıcı kriyojenik yakıtlar, yanıcı olmayan kriyojenik yakıtlara göre daha fazla yarar sağlamaktadırlar. Sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), herhangi diğer bir yakıtta da olduğu üzere, doğru miktarda hava ile karıştırılsa ancak düzgün bir şekilde yanabilir. LNG için veririlik miktarı Metan sayısına bağlırdır ki bu da oktan sayısının gaz karşılığıdır. Bu sıvılaştırılmış yakıtın ve diğer herhangi çözünmüş gazın metan sayısına bağlı olarak belirlenir ve deneyin verimliliğine göre değişim gösterir. İçten yanmalı motorların veririmliğinin artırılması; uygun hava/yakıt oranının belirlenmesi ve en uygun yanmayı sağlamak üzere fazladan diğer hidrokarbonların eklenmesinden oluşur.
Üretim verimi
Gaz sıvılaştırma işlemleri, yıllar içerisinde daha iyi makinelerin geliştirilmesi ve sistem ısı kayıplarındaki kontrolün/denetimin artırılabilmesi sayesinde sürekli olarak iyileştirilmektedir. Alışılageldik yöntemler, bir gazın üzerindeki kontrollü basıncın/baskının kaldırılması sonucu gazın sıcaklığındaki çok büyük miktardaki azalmandan/soğumadan faydalanmaktadır. Yeterli miktardaki basıncın verilmesini takiben basıncın kaldırılması pek çok gazın sıvılaşmasına sebep olmaktadır. Bunun örneği Joule-Thomson etkisi'nde görülebilir.
Sıvılaşmış doğal gaz (LNG)
Doğal gazın saklama, taşıma ve kullanma amacıyla sıvılaştırılması maliyet açısından çok faydalı olsa da, gazın yaklaşık olarak yüzde 10 ile 15'lik kısmı işlem sırasında kullanılır/tüketilir.. En verimli işlem çeşidi, propan soğutması'nın (en: propane refrigeration) dört aşamasını ve etilen soğutması'nın iki aşamasını içerir. Fazladan bir soğutucu madde aşaması eklenebilir, ancak bunun için gerekli fazladan ekipman giderleri fazladan soğutucu madde eklenmesini ekonomik olarak yararsız hale getirir. Verim, kademeli saf bileşen süreçlerine bağlı olabilir. Bu süreçler, soğutucu yoğuşması ile ilişkilendirilen sıcaklık farkını absorbe etmek/yutmak amacıyla kullanılan kaynağın tamamını azaltır/minimize eder. En verimli süreç, verimi çok yüksek ısı geri kazanımı ile saf soğutma maddelerinin kullanımını birleştirmektedir. Sıvılaştırma tesislerinin süreç tasarımcılarının hepsi kanıtlanmış teknolojileri kullanırken hep aynı zorlukla karşılaşmışlardır: bir karışımı saf soğutma maddesi kullanarak soğutabilme ve yoğunlaştırabilme. En uygun hale getirilmiş bir kademeli süreçte, soğutulması ve yoğunlaştırılması gereken karışım, besleme/kaynak gazı olmaktadır. Propan karıştırılmış soğutma maddesi süreçlerinde, soğutulması ve yoğunlaştırılması gereken iki karışım, besleme/kaynak gazı ile karışık soğutma maddesidir. Verimsizliğin baş kaynağı, sıvılaştırma süreci sırasındaki ısı alışverişi silsilesinde bulunmaktadır.
Avantajlar ve dezavantajlar
Faydaları
Kriyojenik yakıtlar, çevresel açıdan benzin ya da fosil yakıtlara göre daha temizdir. Mal taşırken, başka şeylerin yanı sıra, benzin yerine LNG kullanılarak sera gazı oranı potansiyel olarak %1120 civarında azaltılabilir.
Çevre-dostu özelliklerinin yanı sıra, ülke içi taşımacılığın maliyetini yüksek orana azaltma potansiyeline sahiptirler çünkü fosil yakıtlara göre daha bolca bulunabilmektedirler.
Kriyojenik yakıtlar, fosil yakıtlara göre daha yüksek bir kütle akış oranına sahiptirler ve sonuç olarak, bir motorun içinde yakıldıkları zaman, daha fazla itme ve güç üretiler. Bu da motorların genel olarak daha az yakıt kullanmak suretiyle, günümüz gaz motorlarından (ing:gas engine), daha fazla yol olabileceklerini göstermektedir.
Kriyojenik yakıtlar, doğaya kazara dökülmeleri durumunda çevreyi kirletmemektedirler. Sonuç olarak yakıt dökülmesi sonrası tehlikeli atık temizleme gibi bir gereksinim oluşmayacaktır.
Potansiyel sakıncalar
LNG gibi bazı kriyojenik yakıtlar doğal olarak yanıcıdırlar. Dökülmüş/saçılmış yakıtın alev alması büyük patlamalara yol açabilir. Mesela LNG motoru olan bir arabanın kaza geçirmesi durumunda böyle bir patlama meydana gelebilir.
Kriyojenik saklama tankları yüksek basınca dayanıklı olmalıdır. Yüksek basınçlı yakıt tankları daha kalın duvarlar/çeperler ve daha güçlü alaşımlar gerektirir ve bu da araç tanklarının daha ağır olmasına yol açar; bağlı olarak da performans ve pratikteki kullanım kolaylığının kaybına yol açar.
Zehirleyici (ing:non-toxic) etkisi olmamasına rağmen, kriyojenik yakıtlar havadan daha ağırdırlar ve bu da havasız kalarak boğulmaya yol açabilmektedir. Sızıntı olması durumunda, sıvı hemen kaynayarak çok yoğun ve soğuk bir gaz kütlesi haline gelecektir, bu haldeyken gazın solunması ölümcül olabilir.