Bir roketin ağırlığının %90'ı yakıttır. Bir hidrojenli aracın en ağır ve hacimli bileşeni ise yakıt tankıdır. Mühendislikteki en eski paradoks şudur: Yakıt taşımak için tanka ihtiyacınız vardır, ancak tank ağırlaştıkça daha fazla yakıta ihtiyaç duyarsınız.
Bu kısır döngüyü kırmanın tek yolu, Mukavemet/Ağırlık Oranını radikal bir şekilde artırmaktır. Geleneksel karbon fiber kompozitler (CFRP) bunu başlattı, ancak Nano Malzemeler (Karbon Nanotüpler, Grafen, Nano-kil) bu teknolojiyi mükemmelleştiriyor. Bu yazımızda, 700 bar basınca dayanan, tüy kadar hafif ve sızdırmaz nano-tankların teknolojisini inceliyoruz.
Özellikle Hidrojen (H2), depolanması en zor elementtir.
Yüksek Basınç: Otomotiv standartlarında 700 bar (yaklaşık 10.000 psi) basınca dayanıklı tanklar gerekir.
Sızdırmazlık (Permeability): Hidrojen molekülü o kadar küçüktür ki, metal kristallerinin ve standart polimerlerin arasından sızabilir.
Mikro Çatlaklar: Kriyojenik yakıtlar (Sıvı Hidrojen -253°C), malzemeyi dondurup kırılganlaştırır ve mikro çatlaklara (Micro-cracking) yol açar.
Nano malzemeler, bu üç soruna aynı anda çözüm sunan tek teknolojidir.
Kompozit tanklar, karbon elyafın bir reçineye (epoksi) emdirilip sarılmasıyla (Filament Winding) üretilir. Zayıf halka genellikle elyaf değil, reçinedir.
Karbon Nanotüp (CNT) Takviyesi: Epoksi reçine içerisine %0.5 - %1 oranında MWCNT (Çok Duvarlı Karbon Nanotüp) eklendiğinde, malzemenin "Tabakalar Arası Kayma Mukavemeti" (Interlaminar Shear Strength) %30 artar.
Sonuç: Tank darbe aldığında veya yüksek basınç altında şiştiğinde, katmanların birbirinden ayrılması (Delaminasyon) önlenir. Tank daha ince duvarlı ve dolayısıyla daha hafif üretilebilir.
Hidrojenin polimer astardan (Liner) kaçmasını engellemek için "labirent etkisi" yaratılır.
Teknoloji: Tankın iç astarına (genellikle HDPE veya Poliamid) Grafen Nanoplakalar (GNP) veya Nano-Kil eklenir.
Mekanizma: Grafen plakaları, gaz moleküllerinin geçemeyeceği kadar sıkı bir bariyer oluşturur. Hidrojen molekülü, dışarı çıkmak için bu plakaların etrafından dolaşmak zorunda kalır (Tortuous Path).
Avantaj: Bu, gaz geçirgenliğini 100 kata kadar azaltır ve metal astara (Liner) olan ihtiyacı ortadan kaldırarak Type V (Linersiz Tam Kompozit) tankların yolunu açar.
Uzay araçlarında kullanılan Sıvı Oksijen (LOX) ve Sıvı Hidrojen (LH2) tankları, aşırı termal şoklara maruz kalır. Standart kompozitler bu sıcaklıkta çatlar.
Nano Çözüm: Reçine içine eklenen Nano-Silika veya Nano-Kauçuk partikülleri.
İşlev: Bu partiküller, çatlak ucunu köreltme (Crack Tip Blunting) mekanizmasıyla çalışır. Bir mikro çatlak oluştuğunda, nano partiküle çarpar ve ilerleyemez. Bu, tankın sızdırmazlık ömrünü uzatır.
Nano malzemelerin en fütüristik uygulaması, tankı bir sensöre dönüştürmektir.
Piezorezistif Etki: İletken Karbon Nanotüp ağı içeren tank gövdesi, basınç altında esnediğinde elektriksel direnci değişir.
SHM (Yapısal Sağlık İzleme): Tankın üzerine ekstra sensör yapıştırmaya gerek kalmadan, tankın kendisi "Basıncım çok yüksek" veya "Gövdemde hasar var" bilgisini kontrol ünitesine iletir. Bu, patlama riskini minimize eder.
Nano malzemelerle üretilen hafif yakıt tankları, elektrikli araçların (FCEV) menzil kaygısını bitirecek ve Mars yolculuğunun yakıt bütçesini dengeleyecek kilit teknolojidir. Nanoteknoloji, sadece tankı hafifletmekle kalmıyor; onu daha güvenli, sızdırmaz ve akıllı hale getiriyor.
