氫檢測色帶節(jié)省時(shí)間，挽救生命

氫檢測色帶節(jié)省時(shí)間，挽救生命

從“阿波羅”任務(wù)到航天飛機(jī)項(xiàng)目，美國國家航空航天局（NASA）一直以液態(tài)氫作為運(yùn)載火箭上面級的燃料。其原因很簡單：氫能是最有效的推進(jìn)劑，能夠提供比其它燃料更強(qiáng)的推力。但是，液氫燃料的使用需要雄厚的專業(yè)技術(shù)作為支撐。首先，氫必須在低于-253℃的溫度下才能保持液態(tài)。因此，在發(fā)射期間，液態(tài)氫必須與外部熱源隔絕，以避免液態(tài)氫蒸發(fā)。其次，液態(tài)氫的使用還面臨著泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。作為最小和最輕的原子，氫能夠從非常微小的裂縫逃逸，而且氫非常易燃，高壓泄漏可能會引起爆炸。這使其成為一個(gè)危險(xiǎn)元素，必須嚴(yán)密監(jiān)控。氫的泄漏檢測是一項(xiàng)重要任務(wù)，同時(shí)，由于氫氣及其火焰無色、無味，其泄漏檢測也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

考慮到這些風(fēng)險(xiǎn)，NASA在每次飛船或航天飛機(jī)發(fā)射之前的準(zhǔn)備工作中，都必須對液氫進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，因?yàn)樵诤教炱靼l(fā)射前，大量的液氫燃料要流經(jīng)數(shù)千米長的管道，從液氫儲罐轉(zhuǎn)移到發(fā)射臺進(jìn)行燃料加注。在“阿波羅”任務(wù)時(shí)期，NASA采用“掃帚”方法來檢測氫的泄漏。工作人員利用一種類似于掃帚的儀器，像掃地一樣，將儀器的頂端放在管道上進(jìn)行掃描。如果儀器的頂部發(fā)生燃燒，就意味著此處有氫氣泄漏。后來，在20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)90年代的航天發(fā)射任務(wù)中，NASA采用紫外線傳感器來檢測氫的泄露，采用電化學(xué)和可燃?xì)怏w傳感器查找非燃燒泄漏點(diǎn)。

這些儀器存在的主要問題是僅能檢測到泄漏發(fā)生的大致區(qū)域。例如，當(dāng)泄漏發(fā)生在大量液氫傳導(dǎo)管線交匯、聚集的區(qū)域時(shí)，儀器很難精確地找到泄漏源，必須花費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行查找。為了解決這些問題，NASA希望開發(fā)一種能夠可視化地準(zhǔn)確定位氫氣泄漏位置的方法。

2003年，中佛羅里達(dá)大學(xué)（UFC）所屬佛羅里達(dá)太陽能中心（FSEC）從NASA獲得了一項(xiàng)氫研究項(xiàng)目。肯尼迪航天中心應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室主任羅伯特·楊奎斯特與該項(xiàng)目的主要研究人員之一阿里·拉伊西博士進(jìn)行了合作洽談，并促成了肯尼迪航天中心應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、UFC FSEC，以及肯尼迪航天中心高分子科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的合作，共同推進(jìn)新的氣體檢測技術(shù)的開發(fā)工作。

為了更直觀、自動化地檢測氫泄漏源，阿里·拉伊西博士計(jì)劃開發(fā)一種化學(xué)色帶，當(dāng)色帶暴露在氫環(huán)境中時(shí)會產(chǎn)生顏色變化。他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用日本一項(xiàng)以氧化鈀（PdO）和二氧化鈦（TiO2）等作為顏料的專利技術(shù)。簡言之，就是將氧化鈀粉末和二氧化鈦粉末混合，當(dāng)氫存在時(shí)，粉末的顏色就會產(chǎn)生變化。UFC FSEC的化學(xué)家納希德·穆哈杰瑞認(rèn)為，這種配方存在的問題是顏色變化緩慢且效果不明顯，需要調(diào)整其化學(xué)成分，以加快其顏色變化速度，并使肉眼能夠辨認(rèn)。事實(shí)上，這種化學(xué)成分的調(diào)整大多數(shù)是針對二氧化鈦混合物進(jìn)行的，因?yàn)槎趸亴?shí)際上起著支撐作用，而氧化鈀和氫之間的化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致變色的原因。支撐物的顏色是非常重要的，因?yàn)槠浔仨毰c變色反應(yīng)的顏色形成對比，以使得變色反應(yīng)清晰可見。此外，不同的支撐物種類會對化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生不同的作用，如可能會加快反應(yīng)過程，也可能會減緩反應(yīng)過程。因此，研究人員必須開發(fā)一種可與變色反應(yīng)形成鮮明色彩對比、能夠加速化學(xué)反應(yīng)過程、可應(yīng)用于硅基帶上的材料配方。

約兩年后，該材料配方研制工作最終完成。基于該配方，肯尼迪航天中心進(jìn)一步通過研究，優(yōu)化了其性能，拓展了其應(yīng)用范圍。例如，在應(yīng)用于航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)，其需要具有更好的低溫穩(wěn)定性、阻燃性和耐候性。為此，羅伯遜和NASA研究人員亞尼內(nèi)·凱普頓、瑪莎·威廉斯、拉內(nèi)特拉·塔特和特倫特·史密斯等人共同設(shè)計(jì)了一種由聚四氟乙烯和其它基體代替硅制成的膠囊密封材料。隨后，該新型色帶材料在交叉轉(zhuǎn)換線路、燃料電池，以及NASA其它應(yīng)用領(lǐng)域成功進(jìn)行了測試。

該新型色帶技術(shù)首次在NASA STS-118任務(wù)中進(jìn)行了應(yīng)用，并獲得了圓滿成功，驗(yàn)證了其高可靠性。當(dāng)時(shí)，在該任務(wù)執(zhí)行過程中，在發(fā)射臺上檢測到了氫泄漏事故。傳統(tǒng)的掃描傳感器技術(shù)僅檢測到該區(qū)域存在氫泄漏，而檢測帶技術(shù)使工作人員精確地確定了泄漏位置。之后，該新型色帶技術(shù)被應(yīng)用到NASA“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)最后一次發(fā)射暨航天飛機(jī)項(xiàng)目的倒數(shù)第二次任務(wù)之前的每次發(fā)射任務(wù)中。

通過開發(fā)氫檢測色帶，NASA 和UCF共同申請并獲得了多項(xiàng)專利授權(quán)。2013年，這兩家機(jī)構(gòu)同意將該技術(shù)進(jìn)行集成并商業(yè)化。同年，納希德·穆哈杰瑞在佛羅里達(dá)州羅克利奇市創(chuàng)建了Hysense技術(shù)有限責(zé)任公司，生產(chǎn)并銷售采用該新型色帶配方的產(chǎn)品——Intellipigment（智能顏料）。

氫是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的氣體之一。例如，煉油廠利用氫氣從原油中提煉汽油和柴油，工廠將氫氣與氬氣混合用來焊接不銹鋼，化工廠使用氫氣作為生產(chǎn)氨氣和甲醇的原材料。

與NASA一樣，為了保障生命和財(cái)產(chǎn)安全，每個(gè)與高活性可燃?xì)怏w打交道的行業(yè)，都非常重視對氣體泄漏的檢測。但傳統(tǒng)的檢測技術(shù)手段存在缺陷。例如，固定式傳感器受所在位置的限制，無法全面檢測所有易發(fā)生泄漏的地方，而手持檢測器需要技術(shù)人員進(jìn)行巡視，并仔細(xì)監(jiān)聽泄漏報(bào)警音，難以在交叉轉(zhuǎn)換管路等管道、閥門密集的區(qū)域準(zhǔn)確檢測出泄漏點(diǎn)。而這正是Intellipigment檢測色帶優(yōu)勢所在之處。技術(shù)人員僅需將該檢測色帶分別纏繞在各個(gè)管道或閥門上，就可根據(jù)檢測色帶顏色的變化（如由褐色變成黑色）方便地確定泄漏點(diǎn)。該監(jiān)測色帶的檢測速率與泄漏氣體的氫氣含量相關(guān)，如果是純氫氣，檢測時(shí)間僅需10s，即使泄漏氣體中僅含有1%的氫氣，其檢測時(shí)間也可保持在3min之內(nèi)，性能優(yōu)異。

盡管與之前的氣體檢測技術(shù)不同，且進(jìn)入市場的時(shí)間較短，但該產(chǎn)品已在多家企業(yè)獲得應(yīng)用，其中很多企業(yè)已經(jīng)是第二輪訂購。

2014年，肯尼迪航天中心、HySense公司及UCF獲得了美國《研究與發(fā)展》（R&D）雜志授予的R&D 100獎(jiǎng)。同年，HySense公司獲得了CAT5創(chuàng)新競賽一等獎(jiǎng)，獎(jiǎng)金金額達(dá)10萬美元。該獎(jiǎng)項(xiàng)用于鼓勵(lì)和支持那些致力于開發(fā)“強(qiáng)大的、顛覆性”新技術(shù)的初創(chuàng)企業(yè)。

該監(jiān)測色帶產(chǎn)品顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。隨著NASA和幾家汽車制造企業(yè)對氫能和氫燃料電池汽車應(yīng)用研究的日益關(guān)注，該產(chǎn)品引起了新能源汽車領(lǐng)域的興趣。NASA對“氫能高速公路項(xiàng)目”提供了技術(shù)支持。該項(xiàng)目由美國能源部牽頭，致力于加氫站的建設(shè)，推動氫能源汽車的商業(yè)化發(fā)展。

肯尼迪航天中心首席聚合物科學(xué)家瑪莎·威廉斯說：“在為NASA解決問題的同時(shí)，我們也在尋找相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移應(yīng)用的途徑。與私營企業(yè)的合作關(guān)系，以及技術(shù)的轉(zhuǎn)移和商業(yè)化在NASA整體任務(wù)中發(fā)揮著重要的作用。這種氫泄漏檢測色帶就是一個(gè)典型案例。”

（唐 甜）

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